Und sie läuft und läuft und läuft … Von Maschinen, die absolut zuverlässig funktionieren, träumt wohl jedes Industrieunternehmen. Aber ganz gleich, ob Getriebe in Fahrzeugen, Gasturbinenschaufeln in Kraftwerken oder die Kaffeemaschine zu Hause: Bei jedem technischen Bauteil kommt es irgendwann zu Verschleiß und Materialermüdung – die Zuverlässigkeit nimmt ab.

Mit solchen Ermüdungserscheinungen beschäftigen sich die Ingenieure um Professor Dr. Tilmann Beck am Lehrstuhl für Werkstoffkunde. Sie nutzen verschiedene zerstörungsfreie Prüfverfahren, um zu testen, wann und wie Werkstoffe ermüden. „Wechselnde Temperaturen oder Spannungen können zum Beispiel auf Dauer dazu führen, dass das Material geschwächt wird“, sagt Professor Beck. Dies ist etwa bei Kugellagern und Zahnrädern der Fall, wie sie in Autos und Fahrrädern zu finden sind. „Mit unseren Methoden tragen wir dazu bei, Ausfallwahrscheinlichkeiten berechenbar zu machen. Das ist wichtig für Hersteller, die hohe Zuverlässigkeit ihrer Produkte gewährleisten müssen.“

In ihren Laboren untersuchen die Ingenieure um Beck unterschiedliche Materialien wie Stahl, aber auch Werkstoffe, die aus zwei Komponenten bestehen, etwa Metall-Faserverbundkunststoff-Verbindungen. Die Forscher nutzen dazu verschiedene Methoden, die sie ständig weiterentwickeln. Mit dem Elektronenmikroskop gelingt ihnen beispielsweise der Blick auf den Werkstoff bis in den Nanometerbereich. Dabei können sie ihre Proben auch unterschiedlich starken Belastungen aussetzen, um zu sehen, ab wann sich etwa mikroskopisch kleine Risse bilden. Aber auch mit Ultraschall-Techniken und elektrischen Widerstandsmessungen können sie die Eigenschaften von Werkstoffen genau unter die Lupe nehmen.

Wie verhält sich zum Beispiel Gusseisen, das in einem Verbrennungsmotor verbaut werden soll bei hohen Temperaturen? Was passiert mit rostfreiem Edelstahl bei hoher Luftfeuchtigkeit? Kann es bei Bauteilen, die aus karbonfaserverstärkten Kunststoffen und Metall bestehen, an deren Schweißverbindungen zu Ermüdungsprozessen kommen? Solchen Fragen gehen die Forscher mit ihren Techniken auf den Grund. „Wir möchten Werkstoffe derart gestalten, dass sie möglichst gutmütig auf unvermeidliche Materialdefekte reagieren“, sagt Beck. „Nur auf diese Weise lassen sich kostengünstige Bauteile für Autos, Flugzeuge und Maschinen bewerkstelligen.“ Höchstreine Materialien wären schlichtweg zu teuer und ließen die Produktionskosten enorm steigen. 

© Thomas Koziel

Mit unseren Methoden tragen wir dazu bei, Ausfallwahrscheinlichkeiten berechenbar zu machen. Das ist wichtig für Hersteller, die hohe Zuverlässigkeit ihrer Produkte gewährleisten müssen.

Professor Dr. Tilmann Beck

Beck und sein Team arbeiten auch eng mit Kollegen auf dem Campus zusammen: Zum Beispiel in den Sonderforschungsbereichen „Spin+X – Spin its collective environment” um Professor Martin Aeschlimann und „Bauteiloberflächen: Morphologie auf der Mikroskala“ um Professor Hans Hasse. Aber auch deutschlandweit sind sie an Projekten beteiligt. Eine Kooperation mit Forscherkollegen hat ihnen zum Beispiel 2015 den renommierten Stahl-Innovationspreis eingebracht. Die Wirtschaftsvereinigung Stahl, der wirtschaftspolitische Verband der Stahlindustrie, vergibt ihn alle drei Jahre. Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Technischen Universität München, der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen und des Instituts für Werkstofftechnik in Bremen haben die Kaiserslauterer Ingenieure im Rahmen des Projekts „HiPerComp – High Performance Components“, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen gefördert wurde, Methoden entwickelt, mit denen sie die Schadenstoleranz bei Werkstoffen erhöhen können. Insbesondere an Stellen, an denen sich etwa Risse bilden und ausbreiten können, setzen die Forscher auf selbstverstärkende Effekte im Werkstoff, die das Schadensrisiko deutlich senken.

Auch die internationale Fachwelt ist an der Arbeiten der Kaiserslauterer Forscher interessiert. In Kooperation mit der die amerikanischen Materials Research Society MRS haben sie einen Film produziert, der auf der MRS-Frühjahrstagung 2017 in Phoenix, Arizona, an verschiedenen Stellen präsentiert wurde.

https://www.youtube.com/watch?v=IFZkZXv4jlA&list=PLGVe6BxyFHNWYv-kOSJWfIC9W9FEJFsHd&index=27

Gemeinsam mit der amerikanischen Materials Research Society MRS haben die Kaiserslauterer Forscher einen Film produziert, der auf der MRS-Frühjahrstagung 2017 in Phoenix, Arizona, ihre Arbeit vorstellte.