Rissdetektion mittels akustischer Emission an höchstfesten Stahldrähten während Produktion zerstörungsfrei möglich

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In seiner Doktorarbeit „Rissdetektion mittels akustischer Emission an
höchstfesten Stahldrähten“ hat Mathias Lorenz M. Eng. die Nutzung der
akustischen Emissionstechnik zur Erkennung und Analyse von Rissen während
der industriellen Serienfertigung von Schraubendruckfedern aus
höchstfesten Stählen untersucht.

Im Fokus stand dabei die Detektion von
Rissentstehung und -wachstum. Durch Laborversuche konnte er relevante
Einflussfaktoren auf das akustische Signal identifizieren und eine
automatisierte In-situ-Rissdetektion ermöglichen. Dabei hat Lorenz die
akustischen Signale verschiedenen Schädigungsmechanismen eindeutig
zuordnen können und geeignete Analyseketten in der Software entwickelt.

Hohe Kosten durch unentdeckte Risse vermeiden
Schraubendruckfedern erfüllen, trotz ihrer einfachen Bauweise,
anspruchsvolle Aufgaben wie das Speichern mechanischer Energie und das
Erzeugen von Vorspannkräften. Ihre hohe Beanspruchung, insbesondere bei
Ventilfedern in Motoren, erfordert höchste Oberflächen- und
Werkstoffqualität. Der Bruch einer Feder kann hohe Folgekosten
verursachen, was die Rissdetektion essenziell macht. Aktuell fehlen jedoch
zerstörungsfreie In-Situ-Überwachungslösungen für die Federnproduktion.
Verfahren wie die Magnetpulverprüfung erkennen nur äußere Risse, sind
zeitaufwendig und erfolgen nach kritischen Fertigungsschritten. Bei
Schwingversuchen werden zudem nur ausgewählte Federn geprüft, was die
Methode ineffizient und teuer macht. Eine automatisierte und
wirtschaftliche Lösung ist bisher nicht verfügbar.

Verfahren mit hohem Praxispotential
Die akustische Emissionstechnik konnte erfolgreich zur Unterscheidung von
Mikro- und Makrorissen sowie zur Überwachung im Schwingversuch
ausgewählten (sicherheitsrelevanten) Federn und unter realen Bedingungen
an Windemaschinen eingesetzt werden. Es zeigte sich, dass Material- und
Prozessparameter keinen Einfluss auf die risstypischen akustischen Signale
haben, die bei einer Ähnlichkeit von 65  Prozent materialspezifisch gleich
bleiben. Mikrorisse ab einer Größe von 20 µm – was ungefähr einem Fünftel
der Dicke eines Haares entspricht – wurden zuverlässig detektiert und
durch Rasterelektronenmikroskopie bestätigt. Zudem ermöglicht die Technik
eine Unterscheidung verschiedener Schädigungsmechanismen wie wasserstoff-
induziertem interkristallinem Spaltbruch und transkristallinem Wabenbruch
in In-situ-Anwendungen. Dieses Ergebnis schätzt Professorin Schwerdt
besonders, da es sowohl in der industriellen Anwendung in der
Federnindustrie als auch bei der zukünftig zu entwickelnden Prüfmethodik
für schnelle Versuche zur Verifizierung von Materialen zur Anwendung
kommen kann, die in druckwasserstoff-führenden Systemen verbaut werden
sollen. Wie hoch das Interesse für eine industrielle Anwendung ist, wurde
durch die Anwesenheit von Industrievertretern der Fachbranche und deren
Diskussionsbeiträge während der Verteidigung deutlich.

Förderung wissenschaftlichen Nachwuchses
Während der Arbeit an seiner Dissertation wurde der Absolvent des
Masterstudienganges „Maschinenbau/Verfahrens- und Energietechnik“ am
Bereich „Maschinenbau/Verfahrens- und Umwelttechnik“ der Fakultät für
Ingenieurwissenschaften der Hochschule Wismar von Professorin Dr.-Ing.
Daniela Schwerdt fachlich betreut. Im Rahmen des kooperativen Promotions-
verfahrens mit der Universität Rostock war Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge,
Lehrstuhl für Fertigungstechnik, an der Fakultät für Maschinenbau und
Schiffstechnik sowie Leiter des Fraunhofer-Instituts für Großstrukturen in
der Produktionstechnik IPG sein Betreuer. Zweiter Gutachter war Prof.
Dr.-Ing. habil. Olaf Keßler vom Lehrstuhl für Werkstofftechnik. Als
Mitglied der Prüfungskommission war Prof. Dr.-Ing. habil. Knuth-Michael
Henkel, Lehrstuhl Fügetechnik, vor Ort in die Verteidigung eingebunden,
die von Prof. Dr.-Ing. Hermann Seitz, Lehrstuhl für Mikrofluidik, als
Vorsitzendem des Verfahrens moderiert wurde.
Die Arbeit entstand im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und
Klimaschutz (BMWK) finanzierten Forschungsprojektes IGF 20846 BR.
Das Promotionsvorhaben wurde durch eine einjährige Teilzeit-
Promotionsstelle an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der
Hochschule Wismar unterstützt. Außerdem nahm Mathias Lorenz an speziellen
Veranstaltungen unserer Hochschule zur Förderung des wissenschaftlichen
Nachwuchses teil. Seit Juni 2024 ist der 38-Jährige weiterhin in Wismar
als wissenschaftlicher Mitarbeiter und für die Region als
Netzwerkkoordinator des Innovations- und Wissenschaftsparks (IWP)
Wismar/Schwerin in der hochschuleigenen Forschungs-GmbH Wismar tätig.