Multifunktionales ultraschallbasiertes Ermüdungsprüfsystem für kostengünstige Werkstoffprüfung

Grundlagen der Hochzyklus- und Sehr-Hochzyklus-Ermüdung (VHCF) in Ultraschall-Zermürbungstest

Die Entwicklung der Ermüdungsprüfung: Von konventionellen Methoden zur Ultraschall-Ermüdungsprüfung

Die Ermüdungstestverfahren haben seit ihren Anfängen, als einfache mechanische Geräte die Labore dominierten, einen weiten Weg zurückgelegt. Herkömmliche Methoden arbeiteten meist mit Frequenzen um 200 Hz oder darunter, was bedeutete, dass Forscher wochen- oder manchmal monatelang warten mussten, um hohe Zyklenzahlen zwischen einer Million und zehn Millionen Zyklen zu erreichen. Ganz zu schweigen von Milliarden-Zyklus-Tests, die für reale Anwendungen erforderlich sind. Das hat sich mit der Einführung von Ultraschall-Ermüdungsprüfsystemen geändert, die bei etwa 20 kHz arbeiten. Diese neuen Systeme verkürzen die Prüfzeit im Vergleich zu herkömmlichen Methoden um den Faktor 100 und senken den Energieverbrauch um nahezu 95 %. Was bedeutet das? Ingenieure können nun Werkstoffe unter extremen Bedingungen angemessen bewerten, die mit älterer Ausrüstung unendlich lange gedauert hätten. Dieser Durchbruch ist besonders wichtig in Bereichen wie der Luftfahrtteilefertigung und der Entwicklung medizinischer Geräte, wo Bauteile jahrelang zuverlässig funktionieren müssen.

Warum herkömmliche Ermüdungsprüfungen im Hochzyklus- und Gigazyklusbereich versagen

Die Standard-Ermüdungsprüfung stößt bei Hochzyklus- und sehr hohen Ermüdungsbeanspruchungen (VHCF) auf erhebliche Probleme. Die Zeit ist hierbei das größte Problem. Bei normalen Prüffrequenzen zwischen 10 und 100 Hz dauert es etwa 115 Tage, um ununterbrochen mit maximaler Geschwindigkeit eine Milliarde Zyklen zu erreichen. Solche Prüfungen sind einfach zu kostspielig und für die meisten Anwendungen nicht sinnvoll. Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Steuerung der sehr geringen Spannungspegel im VHCF-Bereich, wo die Materialien anders reagieren, als es klassische Modelle vorhersagen. Auch die Wärmeentwicklung während langer Prüfdauern darf nicht außer Acht gelassen werden. Tatsächlich verändern Materialien ihre Eigenschaften, wenn sie auf diese Weise erwärmt werden, was die Ergebnisse vollständig verfälscht. Aufgrund dieser Probleme liegen uns noch immer nicht genügend Daten über etwa 10 Millionen Zyklen hinaus vor. Dadurch müssen Ingenieure raten, wie Bauteile nach Milliarden von Schwingungszyklen im praktischen Einsatz reagieren werden.

Wesentliche Erkenntnis: Über 60 % der mechanischen Ausfälle in der Luft- und Raumfahrt gehen auf Ermüdungsversagen bei hohen Lastwechselzahlen zurück

Laut den neuesten Sicherheitsberichten der Branche aus dem Jahr 2023 sind etwa 60 % der mechanischen Ausfälle bei Luft- und Raumfahrtkomponenten auf Ermüdungsversagen bei hohen Lastwechselzahlen zurückzuführen. Die meisten Probleme treten an Stellen auf, die nicht immer als erste in Betracht gezogen werden – wie Turbinenschaufeln, Motorhalterungen und Fahrwerksysteme, also im Grunde alles, was über längere Zeiträume hinweg ständig Erschütterungen ausgesetzt ist. Herkömmliche Prüfverfahren sind mittlerweile nicht mehr ausreichend, da sie genau jene Effekte nicht erfassen, die bei sehr hohen Lastwechselzahlen auftreten, wo sich mikroskopisch kleine Risse unterhalb der Oberfläche bilden. Aus diesem Grund setzen viele Hersteller zunehmend auf neuere Methoden wie die Ultraschall-Ermüdungsprüfung. Diese fortschrittlichen Techniken ermöglichen deutlich genauere Vorhersagen darüber, wie lange Bauteile halten, bevor sie versagen – ein entscheidender Faktor bei der Flugsicherheit, bei der bereits kleine Fehler katastrophale Folgen haben können.

Wie Ultraschall-Zermürbungstest bei 20 kHz ermöglicht schnelle, energieeffiziente Gigazyklus-Prüfung

Resonanzbasierte Methode: Ermöglicht Ermüdungstests bei einer Frequenz von 20 kHz

Die Ultraschall-Ermüdungsprüfung, kurz UFT, nutzt Resonanzprinzipien, um Materialermüdung bei einer beeindruckenden Frequenz von 20 kHz zu bewerten, wodurch sich die Prüfzeit im Vergleich zu herkömmlichen Methoden erheblich verkürzt. Servohydraulische Systeme arbeiten typischerweise zwischen 20 und 60 Hz, während die UFT die Proben beschleunigt, indem sie diese direkt bei ihren natürlichen Resonanzfrequenzen anregt. Danach geschieht etwas sehr Interessantes – die Probe wird durch kontrollierte Ultraschallschwingungen schnellen Spannungswechseln ausgesetzt. Dadurch bleibt der Großteil der Energie innerhalb der Probe konzentriert. Deshalb benötigt das Verfahren nur wenig elektrische Leistung, behält aber gleichzeitig eine präzise Kontrolle über die aufgebrachte Belastung. Das Ergebnis ist ein System, das Milliarden von Lastwechseln durchlaufen kann, ohne wie ältere Geräte hohe Energiemengen zu verbrauchen, was es langfristig sowohl kosteneffizient als auch umweltfreundlich macht.

Zeit- und Kosteneinsparungen: Erreichen von Gigazyklus-Ergebnissen in Tagen statt in Monaten

Durch die Ultraschall-Ermüdungsprüfung können Prüfzeiten, die normalerweise Monate oder manchmal sogar Jahrhunderte dauern, auf nur wenige Tage reduziert werden. Wenn beispielsweise Prüfungen mit einer Frequenz von 1 Hz durchgeführt werden, würde es etwa 320 Jahre dauern, um diese 10 Milliarden Zyklen abzuschließen. Erhöht man die Frequenz jedoch auf 20 kHz, benötigt man plötzlich nur noch sechs Tage, um dieselbe Anzahl an Zyklen zu erreichen. Die hier erzielte Zeitersparnis macht einen großen Unterschied bei Laborbudgets, ermöglicht es Forschern, mehr Proben zu bearbeiten, und beschleunigt die Entwicklungszeit für neue Materialien erheblich. Außerdem gibt es einen weiteren erwähnenswerten Vorteil: Diese Ultraschallsysteme verbrauchen tatsächlich deutlich weniger Energie im Vergleich zu herkömmlichen hydraulischen Anlagen und benötigen zudem wesentlich weniger Platz. Das bedeutet geringere laufende Kosten und einen besseren Zugang sowohl für universitäre Forschungsteams als auch für Unternehmen, die in verschiedenen Branchen an der Produktentwicklung arbeiten.

Thermische Effekte berücksichtigen: Verwaltung der Probenerwärmung während Hochfrequenztests

Die Erwärmung von Proben bleibt eine der größten Herausforderungen beim Einsatz von Hochfrequenz-Ultraschallprüfanlagen, insbesondere da die Proben zyklischen Belastungen mit Frequenzen um 20 kHz ausgesetzt sind. Wenn während der Prüfung die Temperaturen außer Kontrolle geraten, verfälscht dies das Materialverhalten und macht die Testergebnisse bestenfalls unzuverlässig. Moderne Ultraschall-Ermüdungsprüfsysteme begegnen diesem Problem durch verschiedene Methoden, darunter Zwangsluftkühlung und die sogenannte Puls-Pause-Belastung. Üblicherweise wird dabei etwa 200 Millisekunden lang belastet, bevor für 3 bis 5 Sekunden eine Pause eingelegt wird. Diese intermittierende Methode hält die Temperatur ausreichend niedrig, ohne den eigentlichen Prüfvorgang allzu sehr zu unterbrechen. Der Vorteil? Die während der Tests beobachteten Ausfälle spiegeln tatsächlich reale mechanische Ermüdungsprobleme wider, anstatt allein auf thermische Aufheizung zurückzugehen. Eine gute thermische Kontrolle ist dabei kein nettes Extra – sie ist absolut entscheidend, wenn Ingenieure vertrauenswürdige Gigazyklus-Daten erheben wollen, die in realen technischen Anwendungen Bestand haben.

Überbrückung der Lücke in der Lebensdauervorhersage: Gigazyklus- und VHCF-Prüfung mit Ultraschallschwingprüfsystemen

Bedeutung von VHCF-Daten in Anwendungen im Schienenverkehr, in der Energieerzeugung und in der Luft- und Raumfahrt

Das Verständnis von Daten zur sehr hohen Ermüdungsbeanspruchung (VHCF) ist unverzichtbar geworden, wenn es darum geht, die Lebensdauer von Bauteilen in Branchen abzuschätzen, in denen Ausrüstungen häufig mehr als zehn Millionen Lastwechsel durchlaufen. Im Luft- und Raumfahrtbereich zum Beispiel gehen rund sechzig Prozent aller mechanischen Ausfälle auf Probleme durch Schwingfestigkeit bei hoher Lastwechselfestigkeit zurück. Deshalb ist eine ordnungsgemäße VHCF-Prüfung für Teile wie Turbinenschaufeln und Fahrwerksysteme so wichtig. Auch der Energiesektor ist stark auf diese Zahlen angewiesen, um abschätzen zu können, wie lange Turbinen und Generatoren betriebsbereit bleiben, ohne auszufallen. Auch Bahnbetreiber verfolgen dies genau, da sie katastrophale Ausfälle bei Achsen und Rädern vermeiden müssen, nachdem diese Bauteile buchstäblich Milliarden von Betriebszyklen durchlaufen haben. Wenn Ingenieure die Erkenntnisse aus VHCF-Studien berücksichtigen, können sie über alte Annahmen zu Ermüdungsgrenzen hinausgehen und die reale Leistungsfähigkeit von Werkstoffen an tatsächliche Einsatzbedingungen am Boden oder in der Luft anpassen.

Fallstudie: Initiale Rissbildung im Untergrund von Titanlegierungen nach 10⁹ Zyklen

Die Forschung an der Titanlegierung Ti-6Al-4V hat etwas Überraschendes ergeben: Nach etwa einer Milliarde Zyklen können sich Risse unterhalb der Oberfläche bilden, selbst wenn die Außenansicht völlig einwandfrei erscheint. Diese Risse entstehen an winzigen strukturellen Unregelmäßigkeiten innerhalb des Materials und breiten sich dann entlang bestimmter Kristallstrukturen im Metall aus. Dadurch kommt es zu Bauteilversagen, die alle Beteiligten unvorbereitet treffen, da die Teile bereits alle üblichen Qualitätskontrollen bestanden haben. Das Problem ist für die traditionelle Ermüdungsbeurteilung von großer Bedeutung. Herkömmliche Oberflächenprüfungen reichen heutzutage nicht mehr aus, da sie Vorgänge im Inneren des Materials unter sehr hohen Schwingbeanspruchungen vollständig übersehen. Deshalb empfehlen viele Experten mittlerweile Ultraschall-Ermüdungsprüfverfahren. Diese Prüfmethoden detektieren tatsächlich solche verborgenen Fehler und tragen dazu bei, eine sicherere Leistung kritischer Bauteile in der Luftfahrtindustrie zu gewährleisten, wo Versagen keine Option ist.

Trend: Integration von VHCF-Daten in aktualisierte ISO- und ASTM-Normen

Die Normungsgremien haben begonnen, diese VHCF-Ergebnisse einzubeziehen, wenn sie ihre Prüfprotokolle aktualisieren. Nehmen wir zum Beispiel ASTM E466, das nun Abschnitte zu diesen Verfahren für sehr hohe Schwingungszahlen enthält. Dann gibt es noch ISO 12107, die untersucht, wie wir Ermüdungsdaten jenseits der 100-Millionen-Zyklen-Marke analysieren. Das bedeutet, dass in der Industrie endlich erkannt wird, dass Werkstoffe nicht einfach aufhören, zu versagen, sobald sie eine traditionelle Dauerfestigkeitsgrenze erreichen. Insbesondere bei Bauteilen, die ständig vibrieren, kommt es zu einem Versagen deutlich später, als bisher angenommen. Daher ändern Ingenieure heutzutage ihre Herangehensweise an Konstruktionsprobleme. Sie müssen nun überlegen, was nach mehreren Milliarden Zyklen passiert, nicht nur nach einigen Millionen. Dies ist besonders wichtig in Bereichen wie Transportsystemen und Stromerzeugungsanlagen, wo katastrophale Ausfälle schwerwiegende Folgen haben können.

Ultraschallprüfung von hochfesten metallischen Werkstoffen unter extremen Bedingungen

Kritische Rolle bei der Bewertung von hochfesten Stählen und Nickelbasis-Superlegierungen

Die ultraschallbasierte Ermüdungsprüfung ist von entscheidender Bedeutung geworden bei der Bewertung hochfester metallischer Werkstoffe wie fortschrittlicher Stähle und nickelbasierter Superlegierungen, die unter extremen Bedingungen zuverlässig funktionieren müssen. Diese Werkstoffe finden sich überall in Anwendungen wie Flugzeugtriebwerken, Stromerzeugungsanlagen und schweren Transportmaschinen, wo ein Versagen von Bauteilen keinesfalls akzeptabel ist. Herkömmliche Prüfverfahren stoßen spätestens nach etwa zehn Millionen Lastwechseln an ihre Grenzen. Hier kommt die Ultraschallprüfung mit Frequenzen um 20 Kilohertz zum Einsatz, wodurch Ingenieure das Werkstoffverhalten über Milliarden von Lastzyklen hinweg genauer untersuchen können. Die Fähigkeit, auf diese Weise zu testen, ist besonders wichtig für Bauteile, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, mit korrosiven Substanzen in Berührung kommen oder komplexen Belastungsprofilen unterliegen, die mit herkömmlichen Laboraufbauten nicht adäquat reproduziert werden können.

Dateneinblick: Bis zu 40 % Reduktion der Ermüdungsgrenze jenseits von 10⁷ Lastwechseln

Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass einige hochfeste Metalle nach etwa zehn Millionen Zyklen tatsächlich rund 40 % ihrer Ermüdungsfestigkeit verlieren – etwas, das herkömmliche Tests einfach nicht erfassen. Wir bezeichnen diese schleichende Schwächung als den Gigazyklus-Ermüdungseffekt, und was dies zeigt, ist, dass Werkstoffe weiter abgebaut werden, selbst wenn sie Belastungen ausgesetzt sind, von denen man einst annahm, sie seien völlig sicher. Ingenieure setzen nun auf Ultraschall-Prüfverfahren, um diese winzigen Veränderungen frühzeitig zu erkennen, wodurch sie bessere Informationen zur Lebensdauerprognose von Bauteilen erhalten und Designs entsprechend optimieren können. Das Verständnis dieser verborgenen Degradation ist entscheidend, um unerwartete Ausfälle bei Geräten zu vermeiden, die für eine extrem hohe Anzahl von Zyklen über ihre Betriebslebensdauer konzipiert sind, die in industriellen Anwendungen mehrere Jahrzehnte betragen kann.

Realitätsnahe Simulation und Schadensüberwachung in Ultraschall-Ermüdungsanlagen

Moderne ultraschallbasierte Ermüdungsprüfsysteme replizieren Betriebsbedingungen mit beispielloser Genauigkeit und simulieren komplexe Belastungsmuster – einschließlich variabler Amplitude und Spektrumbelastung –, die realen Einsatzumgebungen in der Luft- und Raumfahrt sowie der Stromerzeugung entsprechen.

Simulation von Betriebsbelastungen mit variabler Amplitude und Spektrumbelastung

Die neuesten UFT-Plattformen stützen sich auf fortschrittige Softwarelösungen, die schädigungsäquivalente Lastspektren basierend auf realen Betriebsdaten über einen bestimmten Zeitraum hinweg rekonstruieren können. Dies bedeutet, dass Forscher nun Simulationen von variablen Amplitudenbelastungen erstellen können – denken Sie an jene winzigen Vibrationen in Flugzeugtragflächen oder die andauernden Belastungen an Turbinenschaufeln – und das mit bemerkenswerter Genauigkeit. Diese Systeme integrieren temperaturgesteuerte Puls-Pause-Techniken, die dazu beitragen, die Integrität der Prüfkörper auch bei komplizierten Belastungsmustern zu bewahren. Herkömmliche Prüfverfahren können mit dem, was moderne UFT-Systeme im ultrasonischen Frequenzbereich leisten, einfach nicht mithalten.

Echtzeit-Überwachung des Risswachstums mittels Schallemission und Laserinterferometrie

Moderne UFT-Systeme vereinen mehrere zerstörungsfreie Prüfverfahren, um Schäden in Materialien effektiv zu verfolgen. Mithilfe von nichtlinearer Ultraschallprüfung können bereits frühzeitig entstehende Mikrorisse erkannt werden, indem Veränderungen der Oberschwingungen und Frequenzverschiebungen während der Tests analysiert werden. Zur exakten Messung der Risslänge eignet sich die Laserinterferometrie mit ihrer äußerst feinen Auflösung bis hinunter zu Mikrometern. Gleichzeitig erfassen akustische Emissions-Sensoren die Geräusche, die entstehen, wenn sich Risse im Material fortbewegen. All diese unterschiedlichen Ansätze ergänzen sich gegenseitig und liefern Ingenieuren ein umfassenderes Bild darüber, wie sich Schäden im Laufe der Zeit entwickeln. Diese Kombination ermöglicht ein deutlich besseres Verständnis der Ursachen von Ausfällen während ihres Auftretens, was entscheidend für die Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität in der Luft- und Raumfahrt sowie anderen sicherheitskritischen Branchen ist.

Abwägung zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit bei der Messung hochfrequenter Rissausbreitung

Genaue Messungen bei 20 kHz aufrechtzuerhalten, bleibt eine der größten Herausforderungen beim ultraschallgestützten Ermüdungstest, da Risse innerhalb von Millionen Zyklen pro Sekunde extrem schnell entstehen und ausbreiten können. Heutige Geräte verwenden eine sogenannte Potentialabfall-Technologie, um die Änderungen des elektrischen Widerstands während der Rissbildung zu verfolgen, wodurch Forscher die Tests kontinuierlich ohne Unterbrechung durchführen können. Das System erfordert eine sorgfältige Kalibrierung, um Faktoren wie Temperaturschwankungen und die unterschiedliche Reaktion von Materialien zu berücksichtigen, sodass die Ergebnisse mit herkömmlichen Testverfahren übereinstimmen. Eine korrekte Einrichtung macht hier den entscheidenden Unterschied. Diese Systeme liefern tatsächlich verlässliche Gigazyklus-Ermüdungsdaten viel schneller als ältere Methoden, beschleunigen somit die Produktentwicklungszeiten und liefern gleichzeitig hochwertige Ergebnisse, auf die Ingenieure für reale Anwendungen vertrauen können.

FAQ-Bereich

Was ist Hochzyklus ermüdungstest ?

Die Hochzyklus-Ermüdungsprüfung umfasst die Beanspruchung von Werkstoffen durch Millionen von Lastwechseln, um deren Ermüdungsverhalten über lange Zeiträume zu bewerten. Herkömmliche Methoden benötigen oft Wochen oder Monate, insbesondere bei Prüfungen über 1 Million Zyklen hinaus.

Warum wird die Ultraschall-Ermüdungsprüfung für VHCF-Prüfungen bevorzugt?

Die Ultraschall-Ermüdungsprüfung arbeitet mit höheren Frequenzen, wodurch sich die Prüfzeiten und der Energieverbrauch erheblich verringern lassen. Dadurch wird eine effiziente Bewertung von Gigazyklus-Ermüdungsbedingungen ermöglicht.

Wie hilft die Ultraschall-Ermüdungsprüfung in luft- und raumfahrttechnischen Anwendungen?

Die Ultraschall-Ermüdungsprüfung liefert präzise Vorhersagen zur Lebensdauer von Bauteilen, was für die Sicherheit in der Luft- und Raumfahrt entscheidend ist, da sie Probleme früher erkennt und die Zuverlässigkeit von Teilen während langfristiger Nutzung verbessert.

Wie profitieren Branchen wie die Stromerzeugung von VHCF-Studien?

VHCF-Studien liefern detaillierte Erkenntnisse über die Langzeit-Ermüdungsfestigkeit und Haltbarkeit von Bauteilen und gewährleisten, dass Turbinen und Generatoren über Milliarden von Zyklen hinweg zuverlässig funktionieren.