Entwicklung neuer Verfahren zur Materialprüfung

Wie lange werden die Räder eines ICE sicher im Gleisbett rollen? Wann macht der Antrieb einer Produktionsmaschine schlapp, weil der Stahl verschlissen ist? Solche Fragen betreffen nicht nur das Thema Sicherheit – man denke nur an die ICE-Katastrophe von Eschede -  sondern auch Fragen nach Kosten und Effizienz. Eine Maschine soll natürlich möglichst lange laufen und zügig produzieren, bevor ein Bauteil ausgetauscht werden muss. Und das Bauteil soll selbstverständlich nicht mitten im Betrieb ausfallen, sondern der Austausch soll planbar sein.

Für diejenigen, die solche hochbeanspruchten Bauteile herstellen, ist deren Prüfung in der Regel kostenintensiv und aufwändig. Das Ermüdungsverhalten und die Lebensdauer von dauerhaft schwingenden metallischen Werkstoffen und Bauteilen mit möglichst geringem Aufwand zu berechnen, hat sich Prof. Dr. Ing.-Peter Starke zum Ziel gesetzt. Er lehrt und forscht seit September 2018 im Fachbereich Angewandte Ingenieurwissenschaften an der Hochschule Kaiserslautern und bringt mit diesem Thema ein neues Forschungsgebiet an die Hochschule.

An der Entwicklung von insgesamt vier Verfahren ist der Professor für Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung maßgeblich beteiligt, um schnell, zuverlässig und kostengünstig die Lebensdauer verschiedener metallischer Werkstoffe zu berechnen und mit geringem Probenaufwand möglichst viele Informationen über das Material ausfindig machen zu können. PhyBaL, SteBLife, StrainLife und StressLife heißen die Verfahren zur Lebensdauerberechnung metallischer Werkstoffe, die z.T. in der Forschung, aber auch im industriellen Bereich erfolgreich eingesetzt werden.

Benötigt man mit herkömmlichen Verfahren in der Regel 20-25 Proben, so schafft es das Verfahren SteBLife, das er bereits während seiner wissenschaftlichen Tätigkeit u.a. als Akademischer Rat an der Universität des Saarlandes entwickelt hat, mit 4-5 Proben Werkstoffinformationen zum Ermüdungsverhalten zu ermitteln und darüber die (Rest)Lebensdauer abzuschätzen. Bei homogenen Werkstoffen reicht sogar eine einzige Probe. Die Reduktion der Versuche gelingt dabei durch den Einsatz einer stufenförmigen Probe. Eine vollständige sog. Wöhlerkurve, die auf der Mehrfachdurchführung eines Standardversuchs zur Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit eines Werkstoffs beruht, lässt sich damit mit nur wenigen Versuchen berechnen. So gelingt es, die notwendigen Daten für eine Wöhkerkurve, die zuverlässig Auskunft über die voraussichtliche Lebensdauer eines Schwingungen ausgesetzten Werkstoffs geben kann, in nur 3-4 statt 40 Tagen zu ermitteln. Damit ist nicht nur eine Zeit- sondern auch eine enorme Kostenersparnis verbunden.

Zudem werden bei seinen Verfahren unterschiedliche Messmethoden gleichzeitig angewendet, z.B. Infrarotkameras zur Temperaturmessung, um etwaige Schädigungen durch Wärmeentwicklung zu ermitteln. Zu den zerstörungsfreien Prüfverfahren gehören zudem Messungen mittels akustischer sowie elektrischer und magnetischer Prüfverfahren. Dank eines zusammen mit seinen Mitarbeitern entwickelten Kühlsystems ist es möglich, dass die Randbedingungen während der Versuche so konstant wie möglich gehalten werden, was eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz der o.g. sehr temperatursensitiven Messverfahren ist.

Das Wichtigste für Professor Peter Starke ist die Methoden- und Verfahrensentwicklung, die es ihm ermöglicht, immer tiefer in die Materialeigenschaften einzudringen, sie immer besser zu verstehen und immer zuverlässigere Vorhersagen mittels immer kostengünstigerer Verfahren zu machen: „Das ist für mich Arbeit, Hobby und Berufung in einem“, begeistert er sich und hat schon viele neue Pläne. So will er weitere Prüfverfahren entwickeln, die zusätzliche lebensdauerbestimmende Parameter berücksichtigen, wie die Topographie der Materialoberfläche, die chemische Zusammensetzung oder oberflächennahe Eigenspannungen. Dafür will Starke, der an der TU Kaiserslautern nicht nur studiert und promoviert, sondern auch eine mehrjährige Lehr-und Forschungstätigkeit ausgeübt hat, zusammen mit seinen Kollegen des Instituts QM3 (Quality, Modeling, Machining & Materials) weitere Forschungsmittel beantragen und die Forschungsaktivitäten an der Hochschule Kaiserslautern stärken.