Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Computertomograph analysiert Schäden in Werkstoffen unter Last

»Mit diesem Konzept leisten wir einen großen Beitrag zum Thema Materialverständnis und können kundenspezifische Anforderungen im Bereich Materialversagen deutlich besser und in einem früheren Stadium beantworten.«

Für Industrie und Wissenschaft sind in vielen Bereichen zerstörungsfreie Materialprüfungen essentiell. Zum Verständnis von Schadensentstehung und Rissfortschritten im Material während der mechanischen Belastung eines Bauteils leistet die Kombination einer mechanischen Prüfmaschine mit einer CT-Anlage einen wichtigen Beitrag. Sie dient der Materialcharakterisierung und erleichtert die Beurteilung von Einschlüssen oder Schädigungen im Werkstoff bezüglich dessen Festigkeit und Lebensdauer.

Rissfortschritt in der Kerbe einer faserverstärkten Kunststoffprobe.
Dreidimensionale (3D) Darstellung eines Risses in der Kerbe einer faserverstärkten Kunststoffprobe.

Prüfmethode

Die Prüfmethode des Fraunhofer LBF kombiniert die mechanische Prüfung eines Bauteils unter realistischen Belastungen mit der radiologischen Durchstrahlungsprüfung. Zu verstehen, wie Schäden im Material eines Bauteils entstehen, während es realistischen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, gehört zu den essentiellen Fragen in der Materialwissenschaft und war bisher so nicht möglich. Durch den Verbleib des geprüften Bauteils in der Röntgenanlage während der mechanischen Belastung wird der exakte Ort im Material während der gesamten Belastungsdauer beobachtet und analysiert. Bei bisherigen Konzepten konnte durch den abwechselnden Ein- und Ausbau der Probe mit zwischenzeitlicher Durchstrahlungsprüfung diese notwendige Genauigkeit von wenigen Mikrometern nie erreicht werden. Das Konzept stellt einen sehr großen Fortschritt in puncto Detailauflösung und Genauigkeit sowie der Wiederauffindbarkeit von möglichen Schadensursprüngen dar.

Während das Bauteil einer mechanischen dynamischen Lebensdauerbelastung unterzogen wurde, konnte durch die radiologische Untersuchung während dieses Zyklus die Entstehung und der Fortschritt der Schädigung beobachtet und dargestellt werden. Bei Kräften der Prüfmaschine von bis zu 250 kN können auch hochfeste Bauteile aus Kohlenstofffaser, wie sie insbesondere im Flugzeugbau Verwendung finden, untersucht werden. Im Verständnis über die Versagensmechanismen im Bereich von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen gibt es noch viel Untersuchungsbedarf.

Durch modernste bildgebende Verfahren können Risse und Schäden im Material plastisch und dreidimensional dargestellt werden und eröffnen damit viele Möglichkeiten der Analyse. Das hohe Auflösungsvermögen der Röntgenanlage von wenigen Mikrometern durch die Verwendung einer Mirkofokussionsröhre erlaubt das Erkennen von feinsten Schäden im Material schon von Beginn der Entstehung an oder kann kleinste Unregelmäßigkeiten im Material als Ort der Schadensentstehung nachweisen. Insbesondere im Bereich faserverstärkte Kunststoffe kann die Entstehung von Schäden auf Faserebene hin untersucht werden.