Testverfahren im Test

Tobias Neuwirth am Antares Der Doktorand Tobias Neuwirth installiert den Aufbau für die Versuche am Instrument ANTARES. © Bernhard Ludewig / FRM II, TUM

Der Doktorand Tobias Neuwirth installiert den Aufbau für die Versuche am Instrument ANTARES. © Bernhard Ludewig / FRM II, TUM

Bei der Herstellung von Turbinen stoßen herkömmliche Verfahren oft an ihre Grenzen. Komplexe Bauteile mit filigranen Strukturen und geschwungene Formen werden daher immer häufiger durch die Additive Fertigung hergestellt. Um Defekte im Bauteilinneren zu finden, sind verschiedene Testverfahren im Einsatz. Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) hat nun gängige Verfahren geprüft. Die beste Fehlererkennung erzielten dabei Neutronen der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II).

Das Laser-Strahlschmelzen ist ein gängiges additives Fertigungsverfahren für Turbinenschaufeln mit Kühlkanälen im Inneren. Dabei schmilzt ein Laser eine dünne Fläche Metallpulver an bestimmten Stellen auf. Schicht für Schicht entsteht so das Bauteil in einem Bett aus Pulver. Wie bei einer archäologischen Ausgrabung wird das Bauteil anschließend freigelegt, und das übrige Pulver kann für das nächste Bauteil wiederverwendet werden.

Prozess-Instabilitäten können zu Defekten im Bauteil führen und so die Festigkeit des Bauteils mindern. Typische Defekte sind Poren und Risse. Außerdem können sich einzelne Schichten teilweise oder sogar ganz voneinander lösen.

Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen, wie der Turbinenschaufel, können solche Defekte schwerwiegende Folgen haben. „Kritische Bauteile müssen wir daher nach dem Herstellungsprozess untersuchen – und das natürlich zerstörungsfrei“, erklärt Cara Kolb vom Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der TUM.

Defekte im Prüfkörper Im Prüfkörper sind im Querschnitt Defekte verschiedener Größe zu sehen. © Cara Kolb / TUM

Im Prüfkörper sind im Querschnitt Defekte verschiedener Größe zu sehen. © Cara Kolb / TUM

Ein Blick ins Innere
Für ihre Versuche stellten die Forschenden Prüfkörper mit Defekten verschiedener Größe und Tiefenlage her und versuchten, diese mit zerstörungsfreien Prüfverfahren zu detektieren. Zum Einsatz kamen dabei die Aktive Infrarot-Thermografie (engl. active infrared thermography, aIRT), Ultraschall (engl. ultrasonic testing, UT), die Röntgen-Computertomographie (engl. X-ray computed tomography, CT) und die Neutronen-Gitterinterferometrie (engl. neutron grating interferometry, nGI).

An der Forschungs-Neutronenquelle führte der Doktorand Tobias Neuwirth die Untersuchungen am Instrument ANTARES durch. „Wir testen Bauteile mit Neutronengitterinterferometrie. Dabei beobachten wir ortsaufgelöst die Streuung und Absorption von Neutronen. Ändert sich diese, gibt das Aufschluss über die Art und die Größe der Defekte“, erklärt er.

Antares Versuchsaufbau Mithilfe von Lasern richten die Forschenden das Neutronengitterinterferometer genau aus und bringen ihn in die richtige Position. © Bernhard Ludewig / FRM II, TUM

Mithilfe von Lasern richten die Forschenden das Neutronengitterinterferometer genau aus und bringen ihn in die richtige Position. © Bernhard Ludewig / FRM II, TUM

Tieferes Eindringen und bessere Auflösung mit Neutronen
Jedes der getesteten Verfahren hat seine Potentiale und Herausforderungen. Neutronengitterinterferometrie ist zwar aufwendig und teurer als die anderen untersuchten Testverfahren, allerdings entdeckt es von allen Verfahren die meisten und die kleinsten Defekte.

„Neutronen können tief in den Werkstoff eindringen und ermöglichen eine hohe Auflösung der inneren Bauteilstruktur. Besonders gut eignen sie sich für Nickelbasislegierungen, die enorm wichtig sind für die Additive Fertigung von Luft- und Raumfahrtstrukturkomponenten“, lautet das Fazit von Cara Kolb.

Die Forschung an Testverfahren, die die Qualität additiv gefertigter Bauteile zerstörungsfrei absichern, ist sehr wichtig. Solche Testverfahren sagen aus, wie wahrscheinlich ein Bauteil im Betrieb versagt. Und mit zunehmendem Einsatz von Additiver Fertigung beispielsweise in Flugzeugen oder Autos, gewinnen auch die Testverfahren an Bedeutung.