Hochleistungswerkstoffe im Mittelpunkt des 6. VDI-TUM Expertenforums

VDI-Expertenforum 1 Auch das 6. VDI-TUM-Expertenforum stieß auf das Interesse vieler Teilnehmer aus der Industrie. © W. Schürmann / TUM

Auch das 6. VDI-TUM-Expertenforum stieß auf das Interesse vieler Teilnehmer aus der Industrie. © W. Schürmann / TUM

Das VDI-TUM Expertenforum, das im Turnus von 2 Jahren vom VDI und dem FRM II organisiert wird, fand dieses Jahr am 15. September wieder auf dem Campus Garching statt. Wie immer war es ausgebucht und die Organisatoren aus dem Fachausschuss “Anwendungsnahe zerstörungsfreie Werkstoff- und Bauteilprüfung” konnten wieder mit einer ganzen Reihe spannender Vorträge aufwarten. Moderiert wurde die Veranstaltung von Dr. Ralph Gilles (TUM). Im Fokus standen dieses Mal Hochleistungswerkstoffe und ihre zerstörungsfreie Prüfung.

Neben enormen Anwendungsmöglichkeiten und Einsatzszenarien bringen Hochleistungswerkstoffe und -technologien auch große Herausforderungen und höchste Ansprüche an die zerstörungsfreie Prüfung mit sich. Die zahlreichen Kurzvorträge widmeten sich der Frage, wie dabei sowohl etablierte Prüftechniken wie Ultraschall, Thermographie, Tomographie und Eigenspannungsanalytik als auch neuartige, noch in der Entwicklung befindliche Verfahren wie die 3D-Terahertzbildgebung oder Analysemethoden aus der Neutronenstreuung eingesetzt werden können.

Nach der Einführung von Prof. Winfried Petry mit ausgewählten Beispielen der Neutronennutzung und dem besonderen Angebot für industrielle Kunden („pay or publish“) erläuterte Dr. Achim Eggert vom VDI deren Plattform, die als VDI-Serviceleistung dem Anwender nicht nur nützliche Informationen liefert sondern auch zur direkten Kommunikation benutzt werden kann.

VDI-Expertenforum 2 In der Mittagspause konnte noch eine begleitende Postersession besichtigt und diskutiert werden. © W. Schürmann / TUM

In der Mittagspause konnte noch eine begleitende Postersession besichtigt und diskutiert werden. © W. Schürmann / TUM

Um innovative Legierungen aus Aluminium und Lithium für die Luft- und Raumfahrt ging es im ersten Fachvortrag von Dr. Achim Hofmann von Alcoa. Die Firma hat sich auf Leichtbaumetalle spezialisiert und ersetzt damit das teure Titan. Da sich die Legierung auch schmieden und bei Temperaturen bis ca. 300°C einsetzen lässt ist sie häufig eine sehr gute Alternative im Flugzeugbau, aber auch für Turbinenschaufeln, Bremsen, Pumpen und selbst in Sportgeräten, Rollstühlen und Prothesen. Geprüft werden diese Werkstoffe hauptsächlich mit Ultraschall, gesucht wird aktuell aber nach effizienteren und kostengünstigeren Prüfverfahren.

Dr. Stephan Seidlmayer vom FRM II konnte aus seinen aktuellen Forschungsarbeiten auch Neues zu Prüfverfahren von kompletten Lithium-Ionen-Batterien ableiten. So haben er und seine Kollegen diese Batterien sowohl mit Röntgendiffraktion mit einer Molybdänröhre als auch mit Neutronendiffraktion und -tomographie den Alterungsprozess untersucht. Sie konnten durch Kühlung den Prozess verlangsamen und so die Abscheidung von metallischem Lithium nachweisen, das sogenannte Lithium-Plating – ein Prozess, der gerade in den letzten Wochen durch die Rückrufaktion von Notebooks wegen defekter Akkus Aktualität gewonnen hat.

Die Terahertzmessung von Schichtdicken ist eine ganz neue Messtechnik von verblüffender Einfachheit und Leistungsfähigkeit, über die Dr. Joachim Jonuscheit vom Fraunhofer IPM berichtete. Viele Materialien sind für den Gebrauch mit den unterschiedlichsten Materialien beschichtet, häufig sogar mit mehreren Lagen wie beispielsweise der Lack auf Autoteilen. Die Terahertztechnik kann die Dicke der verschiedenen Schichten getrennt berührungsfrei messen, auch wenn der Lack noch nicht getrocknet ist. Die Messung ist mit 1 μm sehr genau und kann auch von einem Roboter selbständig durchgeführt werden.

VDI Expertenforum 3 Für lebhafte Diskussionen zwischen Wissenschaftlern und Anwendern gab es ebenfalls ausreichend Gelegenheit. © W. Schürmann / TUM

Für lebhafte Diskussionen zwischen Wissenschaftlern und Anwendern gab es ebenfalls ausreichend Gelegenheit. © W. Schürmann / TUM

Prof. Philip J. Withers von der Universität Manchester untersucht Defekte und Risse in Kompositmaterialien mit Hilfe der Röntgentomographie. Unter Einsatz von sehr starken Röntgenquellen mit über 100 keV kann auch hier eine gute Eindringtiefe erreicht werden und insbesondere eine hohe Ortsauflösung. Diese Methode ist ebenfalls zerstörungsfrei, kann in operando und mehrfach eingesetzt werden und liefert so beispielsweise eine 3D-Darstellung der Rissbildung über die Zeit.

Die Analyse von CFK-Bauteilen unterliegt bei BMW in den verschiedenen Phasen der Fahrzeugentwicklung und Produktion Änderungen wie Dr. Michael Koch in seinem Vortrag ausführte. So steht bei der Entwicklung die Computertomographie im Mittelpunkt, später und vor allem in der Serienproduktion sind es eher Ultraschall-, Sicht- und Wirbelstromprüfung. Grund dafür sind die unterschiedlichen Ansprüche, denn in der Entwicklungsphase können Bauteile zur genauen Prüfung auch noch zerstört und gegebenenfalls Produktionsprozesse optimiert werden. In der Produktion muss es schneller und kostengünstiger gehen. Zukünftig sollen auch hier Roboter über Nacht das ganze Fahrzeug prüfen und so die Kosten reduzieren.

Prof. Norbert Meyendorf von der Iowa State University bewies sozusagen die große Bedeutung regelmäßiger und kurzer Prüfzyklen durch eine Reihe spektakulärer und tragischer Unfälle bei Flugzeugen und Zügen. Grund war in nahezu allen Fällen eine Mischung aus extremer Belastung, hohen Temperaturen und Materialermüdung, die zu Rissen führte. Beim Unglück in Eschede wurden zwar die Radreifen, deren Metallkern von einer Gummiummantelung umgeben ist, nach jeder Fahrt inspiziert, aber nur von außen. Der Riss ging aber innen vom Metall aus nach außen und wurde deshalb nicht rechtzeitig entdeckt. Er plädierte gerade beim Einsatz neuer Werkstoffe für Prüfverfahren, die auch berücksichtigen, dass die Werkstoffe anders eingesetzt werden als für den ursprünglichen Zweck.

Dr. Olaf Andersen vom Fraunhofer IFAM deckte in seinem Vortrag die Potenziale der zerstörungsfreien Prüfung und Charakterisierung von zellularen Metallen auf. Solche Materialien haben ganz unterschiedliche Ausprägungen je nach Einsatzgebiet: schaumartig, faserig, wellenförmig und viele andere. Sie dienen als Crash- oder Verschleißschutz, als Knochenersatz oder Einwachshilfe in der Chirurgie, zur Energieabsorption (z.B. Schall oder Vibrationen) oder auch zur Wärmeleitung. Die frappierende Vielzahl der unterschiedlichen Einsatzgebiete illustrierte der Referent durch mitgebrachte Beispiele solcher zellularer Metalle. Die Prüfmethode richtet sich nach dem Einsatzzweck, so stellte er als Beispiel die Dämpfung einer Fräsmaschine mit einem zellularen Metall vor.

Der letzte Vortrag von Michael Mirtsch schließlich war einem ganz anderen Herstellungsverfahren für Hochleistungswerkstoffe gewidmet. Die Dr. Mirtsch Wölbstrukturen GmbH stellt sogenannte bionische Wölbstrukturen durch Selbstorganisation nach dem Motto „Von der Natur lernen“ her. Die entstandenen Bauteile ähneln äußerlich den konventionell durch Umformtechnik hergestellten, enthalten aber bis zu 30 % weniger Material. Bei gleicher Stabilität kann hier die Wanddicke beispielsweise von 1,5 mm auf 0,5 mm Dicke reduziert werden. Geprüft werden diese innovativen Leichtbauteile je nach Einsatzzweck durch die Messung der Visioplastizität, Vickershärte und der Biegesteifigkeit; die Oberflächenstrukturierung scannt ein Laser.

Die abschließende Diskussion, moderiert von Prof. Petry, war durch die hohe Beteiligung vor allem auch aus der Industrie entsprechend lebhaft. Sie drehte sich im Wesentlichen um die entscheidenden Fragen bei jeder Prüfmethode: Verstehe ich das Material? Verstehe ich die Methode? Verstehe ich das Bauteil in seiner Funktion? Einig waren sich die Teilnehmer darin, dass die Antworten auf diese Fragen entscheiden, welche Methoden für welches Material sinnvoll sind.

Das 7. VDI-Expertenforum ist bereits in Planung und wird 2018 stattfinden.