Werkstoff- und Prozessinnovationen –

Bei der Qualifizierung neuer Fertigungsprozesse mit ressourceneffizientem Werkstoffeinsatz stellt sich die Frage nach der Zuverlässigkeit von Bauteilen – und damit auch nach deren Ermüdungseigenschaften. Untersuchungen zur Schwingfestigkeit von Bauteilen bedeuten jedoch häufig einen erheblichen finanziellen und zeitlichen Aufwand. Kürzere Prüfzeiten sind insbesondere bei der entwicklungsbegleitenden Bauteilabsicherung oder der zeitkritischen Analyse von Vorserien gefragt. Im Fokus unserer Untersuchungen steht dabei meist die Vorhersage der Lebensdauer bzw. der Auswirkungen von Prozessvariationen auf das Ermüdungsverhalten.

Das Fraunhofer IWS verfügt über ein Labor mit umfangreicher Hochfrequenz-Ermüdungsprüftechnik. Mit ihr lassen sich Daten zur Schwingfestigkeit innerhalb weniger Tage anstatt einiger Monate ermitteln. Dafür stehen uns Ultraschall-Ermüdungsanlagen und hochmoderne elektromagnetische Resonanzpulsatoren zur Verfügung. Mit ihnen lassen sich hochzyklisch belastete Strukturen unter anwendungsnahen Bedingungen testen. Dadurch können beispielsweise Defekte in Gussteilen, Fügeverbindungen oder additiv gefertigten Bauteilen diagnostiziert und deren Auswirkungen auf die Belastbarkeit bewertet werden. Im Hinblick auf Industrie 4.0 entwickeln und analysieren wir zudem testbasierte Validierungsprozesse für den digitalen Zwilling. Wir verstehen uns dabei als Brückenbauer zwischen der Produkt- bzw. Prozesssimulation und der Qualitätssicherung.

Um moderne Leichtbaukonzepte in Branchen wie der Automobilindustrie oder der Luft- und Raumfahrt umzusetzen, werden hochleistungsfähige Werkstoffe benötigt. Als besonders vielversprechend gelten Faserkunststoffverbunde (FKV). Um diese trotz ihrer hohen Temperaturempfindlichkeit und des starken Werkzeugverschleißes bei ihrer Verarbeitung schneiden, beschichten oder mit Metallen fügen zu können, entwickeln wir neue Bearbeitungsverfahren unter Einsatz hochpräziser Lasertechnik. Gepulste Laser können unterschiedlichste Faser- und Matrix-Materialien bearbeiten. Die kurze Pulsdauer ermöglicht es, den Werkstoff »berührungslos« und selektiv ohne merkliches Erwärmen zu bearbeiten. Eine thermische Belastung des Gesamtbauteils lässt sich so vermeiden.

Darüber hinaus kommen effiziente Laserprozesse zum Einsatz, um FKV für weitere Fertigungsschritte vorzubereiten. Dazu zählt beispielsweise die Oberflächenbehandlung für das anschließende Fügen z. B. mittels Kleben – oder für das Auftragen anwendungsgerechter Schutz- und Funktionsschichten aus Metall, Polymer oder Keramik durch thermisches Spritzen.