Neue Technologien für die Entwicklung ermüdungskritischer Bauteile

(Beitrag Nr. 2016-07)

Autorin:

Priv.Doz. Dr. Maria Papakyriacou, Dr. MaPaTech, Materialentwicklung und Prozesstechnik

www.dr-mapatech.at

Sie haben sich sicher schon einmal gefragt, ob Ihre Bauteile die dynamischen Langzeitbelastungen überstehen, oder ob sie zu früh durch Werkstoffermüdung versagen.

In der Tat ist Werkstoffermüdung eine der häufigsten Versagensursachen von Bauteilen. Schwingbelastungen (zeitlich variierende mechanische Beanspruchungen) können zu einer Werkstoffermüdung und zum Bruch eines Bauteiles führen, auch wenn diese Schwingbelastungen deutlich unter der statischen Festigkeit des verwendeten Werkstoffes liegen.

Um einen sicheren Langzeitbetrieb zu gewährleisten, muss nun -der Höhe und Anzahl der Schwingbelastungen (Lastspiele) entsprechend-, ein geeigneter Werkstoff und ein geeignetes Design gewählt werden.

Bei der Medizintechnik beispielsweise müssen Implantate 200 Millionen Lastspiele überleben. Für bewegte Bauteile im Automobilbereich sind die Anforderungen an die Lebensdauer noch höher, mit mindestens 500 Millionen Lastspielen. Bei Eisenbahnen und Erdölgewinnungsanlagen müssen Bauteile sogar bis zu 10 Milliarden Spannungszyklen standhalten.

Die sichere Auslegung eines Bauteils für den sogenannten “Giga-Cycle Fatigue“ Bereich -wo die Lastspielzahlen sehr hoch und die Schwingbelastungen sehr niedrig sind- stellt eine große technische Herausforderung dar.

Eine experimentelle Prüfung des Werkstoffverhaltens im Bereich oberhalb von etwa 10⁸ Lastspielen ist mit herkömmlichen Methoden und typischen Versuchsfrequenzen (unter 50 Hz) langwierig und kostspielig, da die Prüfzeiten Wochen und Monate betragen. Es ist zwar theoretisch möglich, durch Extrapolation aus dem “Low-Cycle Fatigue“ Bereich auf den “Giga-Cycle Fatigue“ Bereich zu schließen. Es hat sich in der Praxis allerdings gezeigt, dass eine derartige Vorgangsweise oft zu einer Überschätzung der Lebensdauer und folglich zu einer falschen Dimensionierung führen kann. Hochfeste Stähle und Titanlegierungen -für welche eine Dauerfestigkeit bei 10⁶-10⁷ Zyklen angenommen war- zeigten doch ein “unerwartetes“ Materialversagen bei 10⁸ Lastspielen: mit fatalen Folgen im Bereich des Verkehrswesens.

Die Ermüdung mittels Ultraschall ist eine relativ neue, aber etablierte Technologie, welche Kosten und Zeit einspart: 10⁹ Zyklen werden dank der hohen Belastungsfrequenz von 20kHz, innerhalb weniger Tage -anstatt Jahre- erreicht ! Das Verfahren ist für Metalle, Metal Matrix Composites MMC, Ceramic Matrix Composites CMC, Laminate wie GLARE, Verbunde und auch für CFK- und GFK-Composites anwendbar.

Die Anlagen werden darüber hinaus für die Entwicklung ermüdungskritischer Teile in der produzierenden Industrie (Automotiv, Medizintechnik, Luftfahrt und Schienentechnik) eingesetzt. Schwachstellen wie Poren, Einschlüsse, Oxide, etc. der neu entwickelten Werkstoffe werden früh erkannt und deren Ursachen eliminiert, weil genau dort durch die Langzeitermüdung Risse einleiten.

Die Entwicklung und Optimierung von ermüdungsresistenten Werkstoffen, von Prozessen und Komponenten wird kürzer und effizienter, die Feedbackschleife ist unmittelbar. Auch zur Qualitätsüberwachung der Produktion sind solche Geräte erfolgreich im Einsatz.

Frau Priv.Doz. Dr. Maria Papakyriacou ist Inhaberin und Geschäftsführerin von Dr. MaPaTech, Materialentwicklung und Prozesstechnik

Maria_pass

www.dr-mapatech.at

 

 

Kommentar verfassen