Materialeigenschaften beeinflussen die Belastbarkeit und Lebensdauer von Stahlbauteilen. Besonders bei sicherheitsrelevanten Bauteilen ist die zuverlässige, möglichst echtzeitfähige Qualitätssicherung der Komponenten unumgänglich, um ungewollte Veränderungen des Gefüges sowie der Eigenspannungen im Material zu verhindern. Solche Veränderungen können bereits während der Produktion, aber genauso erst nach Inbetriebnahme auftreten. Durch ihren negativen Einfluss auf die Produktqualität und Einsatztauglichkeit sind sie für die Betriebssicherheit wie auch die Wertschöpfung von hoher Relevanz.

Bisher können Gefüge- und Eigenspannungsverteilungen für die industrielle Qualitätssicherung nicht schnell und zerstörungsfrei erfasst werden, wenn es auf laterale Auflösung oder hohe Tiefenauflösung ankommt. Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen unterschiedlicher Größenskalen besteht diesbezüglich erheblicher Bedarf, zum Beispiel in der Automobil- und Bahnindustrie oder für Kraftwerkskomponenten.

Magnetooptik kombiniert mit Mikromagnetik

„Unmittelbares Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung, Erprobung und Validierung unter Laborbedingungen eines neuartigen bildgebenden Verfahrens zur zerstörungsfreien Materialanalyse mittels magnetooptischer Sensorik“, berichtet Dr. Madalina Rabung, verantwortliche Projektleiterin und Wissenschaftlerin am Fraunhofer IZFP. „Die Innovation des Vorhabens besteht in der Kombination der aktuellen Möglichkeiten der Magnetooptik mit denjenigen der Mikromagnetik und somit der Anwendung optischer Technologien im Bereich der Qualitätssicherung.“ Mithilfe des neu entwickelten Verfahrens wird ein zerstörungsfrei arbeitendes magnetooptisches System entwickelt und erprobt. In wenigen Sekunden soll es die Verteilung von Mikrogefügen und Spannungen über große Bauteilflächen mit einer oberflächennahen Auflösung besser 50 μm bis in circa 1 mm Tiefe erfassen.

Das Vorhaben „Biwa-Mos“ – Bildgebende Werkstoffanalyse mittels magnetooptischer Sensorik zur schnellen Qualitätssicherung von Stahlbauteilen – betrifft die Entwicklung zerstörungsfreier Verfahren für die Qualitätssicherung und Zustandsbewertung von Stahl- und Gusseisenkomponenten. Mit dem verfolgten Lösungsansatz auf der Grundlage magnetooptischer Verfahren soll genau die Brillanz „lebendiger“ Abbildungen ermöglicht werden, wie sie zum Beispiel von schwangeren Frauen bekannt sind.

Flächige Materialeigenschaften visualisieren

Die Fähigkeit zur Extraktion und rechnerischen Weiterverarbeitung von Kenngrößen aus magnetooptischen Bildern zur sofortigen Visualisierung der flächigen Verteilung von Materialeigenschaften sieht das IZFP als Meilenstein an für die Überführung der klassischen zerstörungsfreien Prüfung zu intelligenten, kognitiven Sensorsystemen. Eine maßgebliche Rolle spielt dabei die Entwicklung von Materialinnovationen im Rahmen des Industrie-4.0-Konzeptes.

„Unser Verfahrensansatz erschließt als neuartige Methode zur ortsaufgelösten Materialanalyse optische Technologien für die Qualitätssicherung in der Produktentwicklung und der Komponentenüberwachung“, betont Rabung. Die Methode zur Visualisierung von Mikrostrukturveränderungen und Spannungsverteilungen in hoher Qualität legt den Grundstein für eine zerstörungsfreie Echtzeit-Werkstoffanalyse, für die das Institut ein großes wissenschaftliches und perspektivisch auch wirtschaftliches Anknüpfungspotenzial sieht.

International renommiert

Das Gebiet der zerstörungsfreien magnetischen Materialcharakterisierung wird vom Fraunhofer IZFP maßgeblich geprägt: Seit über 30 Jahren beschäftigt sich das Institut mit der indirekten Bestimmung mechanisch-technologischer Kenngrößen wie Härte oder Festigkeit anhand magnetischer Effekte. Beispiele dafür sind Verfahren zu Hysterese, Barkhausenrauschen oder Wirbelstromimpedanz. Das aktuelle Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP)
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