Wie ein multifunktionales ultraschallbasiertes Ermüdungsprüfsystem Zeit bei der Ermüdungsprüfung spart

Verständnis Ultraschall-Zermürbungstest und seine Rolle bei der Bewertung sehr hochzyklischer Ermüdung (VHCF)

Der Wandel hin zum Bereich der sehr hochzyklischen Ermüdung (VHCF) in der modernen Werkstoffwissenschaft

Die heutige Ingenieurtechnik benötigt Materialien, die extrem hohe Anzahlen von Belastungszyklen verkraften können. So sehr, dass wir uns heute mit der sogenannten Hochzyklus-Ermüdung (VHCF – Very High Cycle Fatigue) beschäftigen, also Belastungen von mehr als 10 Millionen Zyklen. Herkömmliche Methoden zur Prüfung der Materialermüdung sind dafür nicht mehr ausreichend, da sie mit Frequenzen unter 100 Hz arbeiten und unverhältnismäßig lange für Ergebnisse brauchen – manchmal Monate oder sogar Jahre. Das ist im Unternehmensalltag nicht praktikabel, wo schnelle Antworten erforderlich sind. Daher setzen viele Labore inzwischen auf Ultraschall-Ermüdungsprüfungen, die im Resonanzbereich von etwa 20 kHz arbeiten. Diese Systeme reduzieren die Prüfzeit von Monaten auf lediglich Stunden und ermöglichen es Forschern, Phänomene wie das Entstehen winziger Risse im Inneren von Materialien zu untersuchen, die erst nach diesen astronomisch hohen Zyklenzahlen auftreten. Für Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilbau und Energieerzeugung, in denen Bauteile eine Lebensdauer weit über 1 Milliarde Zyklen erreichen müssen, macht diese schnelle Prüfmethode einen entscheidenden Unterschied bei den Entwicklungszeiten von Produkten.

Wie die ultraschallbasierte Ermüdungsprüfung eine schnelle zyklische Belastung bei 20 kHz ermöglicht

Die ultraschallgestützte Ermüdungsprüfung funktioniert durch die Verwendung von piezoelektrischen Aktuatoren, die mechanische Vibrationen bei etwa 20 kHz erzeugen. Diese Vibrationen werden über einen speziell konstruierten Sonotroden-Horn auf die Prüfvorrichtung übertragen. Bei Resonanz wird die Effizienz der Auslenkung erhöht, wodurch sich viele Belastungszyklen schnell und mit geringem Energieaufwand erzeugen lassen. Im Vergleich zu herkömmlichen servohydraulischen Systemen, die im Bereich von 20 bis 60 Hz arbeiten, verkürzen Ultraschallverfahren die Prüfzeit um mehr als 95 %. Außerdem verbrauchen sie weniger Energie, da sie weniger Wärme erzeugen und eine bessere mechanische Effizienz aufweisen. Es gibt jedoch einige Herausforderungen: Eine präzise Steuerung der Amplitudenwerte und der Temperatur ist sehr wichtig, da unterschiedliche Materialien empfindlich auf verschiedene Frequenzen reagieren oder sich bei längerer Einwirkung hoher Temperaturen verformen können. Trotz dieser Probleme liefern die schnellen Abläufe und konsistenten Ergebnisse der Ultraschallprüfung belastbare Datensätze, die Ingenieuren ein deutlich höheres Vertrauen bei der Vorhersage der Lebensdauer von Bauteilen geben – insbesondere solcher, die in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt werden.

Branchenbedarf an schnelleren und energieeffizienteren Lösungen für Ermüdungsprüfungen

Hersteller aus verschiedenen Branchen setzen zunehmend auf schnellere und umweltfreundlichere Prüfverfahren, da sie mit der Geschwindigkeit der Innovation bei neuen Materialien und komplexen Konstruktionen kaum mithalten können. Die Ultraschall-Ermüdungsprüfung erfüllt beide Anforderungen besonders gut: Sie verkürzt die Zeit bis zum Ergebnis erheblich und verbraucht dank ihres resonanten Betriebsmodus deutlich weniger Energie. Was zeichnet dieses Verfahren aus? Bedenken Sie, dass ein System innerhalb von nur zwei Tagen etwa zehn Millionen Lastwechsel durchführen kann – eine Zahl, für die herkömmliche Maschinen Monate benötigen würden. Der eigentliche Mehrwert wird deutlich, wenn es um die Bauteilvalidierung geht, beispielsweise bei Elektroauto-Teilen, Windturbinenflügeln oder Flugzeugkomponenten, wo schnelle Zulassungen entscheidend sind, um enge Termine für Produktlancierungen einzuhalten. Angesichts des rasanten Fortschritts in der Werkstoffforschung – etwa bei nanostrukturierten Metallen oder 3D-gedruckten Bauteilen – lässt sich die Nachfrage nach schnellen, aber zuverlässigen Hochzyklus-Ermüdungsprüfungen einfach nicht bremsen.

Zeitersparende Mechanismen von Multifunktions- Ultraschall-Ermüdungsprüfung Systeme

Einschränkungen der konventionellen Ermüdungsprüfung: Warum herkömmliche Methoden Wochen in Anspruch nehmen

Die meisten traditionellen Servo-Hydraulik-Systeme arbeiten mit Frequenzen zwischen 20 und 60 Hz, was bedeutet, dass das Erreichen ausreichender Zyklen für eine ordnungsgemäße VHCF-Analyse Wochen oder sogar Monate dauert. Die Prüfung erfolgt einfach zu langsam für die heutigen Anforderungen der Hersteller. Diese Verzögerung verursacht erhebliche Probleme sowohl für Forschungsteams als auch für Qualitätsprüfungsabteilungen, da sich dadurch die Zeitpunkte verschieben, zu denen Produkte tatsächlich validiert und freigegeben werden können. Und ehrlich gesagt, möchten Unternehmen nicht gern stundenlang zusätzliche Betriebskosten zahlen, während sie auf Ergebnisse warten. Längere Prüfungen verursachen zudem Probleme, da Maschinen bei langen Laufzeiten häufiger ausfallen und sich Umweltbedingungen im Zeitverlauf ändern, wodurch die gesammelten Daten weniger zuverlässig werden. Wenn Industrien Ermüdungsdaten jenseits von 10 Millionen Zyklen benötigen, ist der Einsatz veralteter Methoden angesichts der heutigen engen Projektzeitpläne und Budgetbeschränkungen schlichtweg nicht mehr praktikabel.

Hochfrequenzprüfung: Verringerung der Prüfdauer von Wochen auf Stunden

Ultraschall-Ermüdungsprüfsysteme, die bei etwa 20 kHz arbeiten, können die Belastungswechselraten im Vergleich zu älteren Verfahren um etwa das 1000-fache steigern. Diese erhebliche Geschwindigkeitssteigerung bedeutet, dass Prüfungen, die früher monatelange Dauerbetriebe erforderten, nun innerhalb weniger Stunden durchgeführt werden können. Dies ist entscheidend, wenn Ingenieure schnelle Ergebnisse für die Produktentwicklung und behördliche Zulassungen benötigen. Diese Systeme bewältigen zudem extreme Bedingungen und sind in der Lage, Prüfungen bei Temperaturen von bis zu 1200 Grad Celsius durchzuführen. Deshalb sind sie besonders wertvoll zur Überprüfung des Materialverhaltens unter den extremen Temperaturen in Bauteilen von Flugzeugtriebwerken und industriellen Gasturbinen. Schnellere Prüfzyklen ermöglichen zudem umfassendere Experimente über verschiedene Parameter hinweg, ohne dabei die Integrität der Daten zu beeinträchtigen.

Fallstudie: Beschleunigte Validierung von Luftfahrtkomponenten mittels USFT

Ein Anwendungsbeispiel aus der Praxis zeigt, wie die ultraschallbasierte Ermüdungsprüfung die Evaluierungszeit für Turbinenschaufeln von etwa sechs Wochen bei herkömmlichen Methoden auf knapp unter acht Stunden reduziert hat. Diese erhebliche Zeitersparnis ermöglichte es, deutlich mehr Entwicklungszyklen durchzuführen, ohne dabei zuverlässige Ergebnisse zu gefährden. Die Ingenieure konnten verschiedene Materialstrukturen unter identischen Bedingungen hochzyklischer Ermüdung testen. Dadurch beschleunigte sich der gesamte Prozess der Materialauswahl sowie die Feinabstimmung der Fertigungstechniken für zukünftige Aerospace-Bauteile, die länger halten und bessere Leistungen erbringen müssen.

Fortgeschrittene Konstruktionsmerkmale: Optimierung von Horn und Probe für zuverlässige Prüfungen

Konstruktion des Ultraschallhorns für stabile Resonanz und gleichmäßige Lastverteilung

Ein Ultraschallhorn dient im Grunde als Verbindung zwischen dem Wandler und der Prüflingprobe. Um dies korrekt zu gestalten, ist eine sorgfältige Konstruktion erforderlich, damit das Gerät bei seiner Betriebsfrequenz von etwa 20 kHz stabil bleibt. Bei einer geeigneten Geometrie wird die Belastung gleichmäßig über die Oberfläche verteilt und gleichzeitig jene störenden kleinen Vibrationen reduziert, die die Messergebnisse beeinträchtigen. Die meisten Ingenieure setzen heutzutage auf die Finite-Elemente-Analyse, um die Form des Horns präzise abzustimmen. Dadurch wird die Energieübertragung optimiert, während unerwünschte Knotenpunkte vermieden werden. Üblicherweise aus Titan oder einer robusten Aluminiumlegierung gefertigt, müssen diese Hörner auch bei Dauerbetrieb thermischer Ausdehnung und Verschleiß standhalten. All diese Faktoren zusammen führen zu einer besseren Konsistenz bei der Kraftaufbringung und Systemen, die monatelang zuverlässig funktionieren.

Innovationen im Probendesign für realistische Spannungssimulation in komplexen Bauteilen

Durch jüngste Fortschritte im additiven Fertigungsverfahren ist es nun möglich, mittels Topologieanalyse optimierte Proben herzustellen, die tatsächlich wiedergeben, wie Materialien unter realen Belastungen in komplizierten Geometrien reagieren. Wenn Ingenieure die innere Struktur anpassen und die optimale Druckrichtung festlegen, können sie Prüfkörper mit gezielten Bereichen hoher Beanspruchung und Lasten aus verschiedenen Richtungen erzeugen. Diese Art der Innovation verbessert die Simulation deutlich hinsichtlich der Vorhersage von Rissbeginn und Rissausbreitung bei Ermüdungsprüfungen mit sehr hohen Lastwechselzahlen. Eine korrekte Topologiegestaltung ist besonders wichtig bei der Prüfung von additiv gefertigten Bauteilen, da Faktoren wie Kornstruktur und beim Druck verbleibende Eigenspannungen einen erheblichen Einfluss darauf haben, wie diese Komponenten langfristig wiederholte Belastungen verkraften.

Verbesserung der Lebensdauervorhersage durch frühzeitige Schadenserkennung

Erkennen der Untergrundrissinitiierung im VHCF-Bereich

Multifunktional ultraschall-Ermüdungssystemen bieten einen echten Mehrwert: Sie können winzige Beschädigungen erkennen, lange bevor sich sichtbare Risse bilden. Dies ist besonders wichtig bei sehr hohen Schwingspielanzahlen, da Schäden oft im Inneren des Materials entstehen statt an der Oberfläche. Im Frequenzbereich von etwa 20 kHz zeigen sich deutliche Veränderungen in der Energieabsorption und akustischen Reaktion des Materials, die auf verborgene Probleme hinweisen. Forscher haben herausgefunden, dass diese subtilen Änderungen es ermöglichen, Schäden bereits bei Spannungen zu detektieren, die bis zu 30 Prozent unterhalb der Nachweisgrenze herkömmlicher Methoden liegen – wie kürzlich im International Journal of Fatigue (2022) veröffentlicht. Solch feine Details machen entscheidend für Branchen aus, in denen ein plötzlicher Ausfall von Ausrüstungen zu schweren Unfällen oder erheblichen finanziellen Verlusten führen könnte.

Fallstudie: Verbesserung der Zuverlässigkeit von Automobilkomponenten durch interne Rissüberwachung

Ein großes Automobilunternehmen hat kürzlich ultraschall-Zermürbungstest eingeführt, um Getriebeteile während extremer Ermüdungsbeanspruchung mit hohen Lastwechseln zu überwachen. Als die Ingenieure akustische Nichtlinearitätsparameter in Echtzeit verfolgten, entdeckten sie verborgene Risse, die sich bildeten, während die Komponenten erst etwa 5 % ihrer erwarteten Lebensdauer durchlaufen hatten. Das ist deutlich früher als der übliche Erkennungspunkt bei 40 bis 50 % mit älteren Methoden. Diese frühzeitigen Warnungen ermöglichten es, die Konstruktionen anzupassen, sodass die Bauteile etwa doppelt so lange hielten wie zuvor. Zudem verkürzte sich der Validierungsprozess drastisch – von ursprünglich sechs Wochen auf nur noch vier Tage. Gerade für Elektrofahrzeuge eignet sich dieses Verfahren hervorragend, da die Antriebsstränge von EVs solch schnellen, sich wiederholenden Spannungszyklen ausgesetzt sind, dass herkömmliche Prüfverfahren nicht mehr zuverlässig vorhersagen können, wie sich die Bauteile unter realen Fahrbedingungen langfristig verhalten.

Mehrachsial Ermüdungstest Vorteile gegenüber einachsialen Methoden

Warum einachsige Prüfungen bei der Darstellung realer Belastungen versagen

Das Problem bei der einachsigen Ermüdungsprüfung liegt darin, dass sie die Bedingungen in der realen Welt stark vereinfacht. Die meisten Bauteile sind tatsächlich gleichzeitig verschiedenen Arten von Spannungen ausgesetzt. Turbinenschaufeln oder Fahrzeugfederungssysteme beispielsweise erfahren Zug-, Druck-, Torsions- und Biegebelastungen, die alle gleichzeitig auftreten. Gerade im Bereich der sehr hohen Schwingspielzahl (VHCF) sind diese kombinierten Spannungszustände von großer Bedeutung, da sie beeinflussen, an welchen Stellen sich Risse bilden und wie sie sich im Material ausbreiten. Untersuchungen zeigen, dass Vorhersagen, die allein auf einachsigen Prüfungen basieren, um bis zu 40 % von den tatsächlichen Betriebsbedingungen abweichen können, wenn mehrachsige Belastungsfaktoren nicht berücksichtigt werden.

Realistische Simulation mehrachsiger Spannungszustände durch Ultraschallresonanz ermöglichen

Ultraschallsysteme, die für mehrere Funktionen ausgelegt sind, schließen diese Lücke, indem sie durch spezielle Sonotrodenformen und Probekonfigurationen kontrollierte Belastungen in mehreren Achsen bei Frequenzen um 20 kHz erzeugen. Das Besondere an diesen Systemen ist ihre Fähigkeit, sowohl Zug- als auch Torsionskräfte gleichzeitig anzuwenden oder Lasten aus zwei Richtungen gleichzeitig zu bewältigen. Zudem verfügen sie über eine feine zeitliche Steuerung, sodass Ingenieure Materialien unter Bedingungen testen können, bei denen Spannungen entweder simultan oder zeitversetzt auftreten. Da Ultraschallprüfungen auf Resonanz basieren, behalten sie auch bei komplexen Kombinationen von Kräften hohe Geschwindigkeiten bei. Dadurch können Forscher untersuchen, wie sich Materialien im Laufe der Zeit unter realistischen Bedingungen abnutzen, und gleichzeitig die Geschwindigkeitsvorteile hochfrequenter Prüfverfahren nutzen.

Fallstudie: Leistungssteigerungen bei der Turbinenschaufelprüfung unter mehrachsigen Lasten

Tests an Turbinenschaufelmaterialien zeigten, dass bei Verwendung multiaxialer Ultraschall-Ermüdungsmethoden die Rissinitiierungsmuster mit den in der Praxis auftretenden Ausfällen übereinstimmen. Dies steht im Gegensatz zu einachsigen Tests, die tendenziell die Lebensdauer von Bauteilen überschätzen. Bei gleichzeitiger Beanspruchung durch Zug- und Torsionskräfte entstanden innere Risse bei etwa 25 Prozent niedrigeren Spannungspegeln im Vergleich zu herkömmlichen einaxialen Prüfaufbauten. Das bedeutet, dass multiaxiale Ultraschallprüfungen den Ingenieuren ein deutlich realistischeres Bild davon vermitteln, wie lange Bauteile unter tatsächlichen Betriebsbedingungen halten. Solche Erkenntnisse sind entscheidend für die Entwicklung von Komponenten, die extrem belastenden Umgebungen standhalten müssen, wie beispielsweise in Flugzeugtriebwerken und Kraftwerksturbinen, wo ein Versagen keine Option ist.

Häufig gestellte Fragen zu Ultraschall-Zermürbungstest

Was ist Ermüdung bei sehr hohen Schwingspielen (VHCF)?

VHCF bezieht sich auf die Ermüdungsfestigkeit eines Materials, wenn es mehr als zehn Millionen Zyklen aushält, was entscheidend für die Bewertung des Verhaltens moderner Materialien unter lang andauernden Belastungsbedingungen ist.

Wie funktioniert die Ultraschall-Ermüdungsprüfung?

Die Ultraschall-Ermüdungsprüfung nutzt piezoelektrische Aktuatoren, um hochfrequente Vibrationen – typischerweise bei etwa 20 kHz – zu erzeugen, wodurch der Ermüdungsprüfprozess stark beschleunigt wird und sich die Prüfdauer im Vergleich zu herkömmlichen Methoden erheblich verkürzt.

Warum wird die Ultraschall-Ermüdungsprüfung herkömmlichen Methoden vorgezogen?

Die Ultraschall-Ermüdungsprüfung verkürzt die Prüfdauer erheblich – von Monaten auf Stunden – und ist energieeffizienter, wodurch sie ideal für Branchen ist, die schnelle und zuverlässige Ergebnisse zur Materialvalidierung benötigen.

Welche Herausforderungen sind mit der Ultraschall-Ermüdungsprüfung verbunden?

Die Kontrolle über Amplitude und Temperatur ist entscheidend, da Materialien bei unterschiedlichen Frequenzen unterschiedlich reagieren und bei hohen Temperaturen über längere Zeiträume hinweg eine Weichung erfahren können.

Welche Vorteile bietet die mehrachsige Ermüdungsprüfung?

Die mehrachsige Ermüdungsprüfung ermöglicht eine realistische Simulation komplexer Beanspruchungszustände, denen Bauteile ausgesetzt sind, und bietet genauere Vorhersagen zur Lebensdauer von Materialien im Vergleich zur einachsigen Prüfung.