Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

Ermüdungsverhalten und Lebensdauervorhersage

Ein Kernziel unserer modernen Industriegesellschaft ist der nachhaltige und ressourceneffiziente Einsatz von Werkstoffen. Dieser geht Hand in Hand mit der zuverlässigen Vorhersage der Lebensdauer mechanisch beanspruchter Bauteile und Strukturen. Unsere Lösungen rund um die Auslegung bzw. Bemessung von sicherheits- bzw. funktionsrelevanten Bauteilen beinhalten zeitverkürzte Prüfverfahren, die Abbildung realitätsgetreuer Beanspruchungen auf der Laborebene und die Bewertung von Unregelmäßigkeiten und Defekten im Werkstoff bzw. Bauteil, ganz im Sinne von »so-gut-wie-nötig« statt »so-gut-wie-möglich«.

Effizientes Eigenschaftsscreening durch Hochfrequenz-Ermüdungsprüfung

1000 Hz-Resonanzprüfstand für eine schnelle Ermittlung von Ermüdungseigenschaften von Werkstoffen und Bauteilen.
© Frank Hoehler
1000 Hz-Resonanzprüfstand für eine schnelle Ermittlung von Ermüdungseigenschaften von Werkstoffen und Bauteilen.

Die Zuverlässigkeit von Bauteilen ist ein zentraler Aspekt bei der Qualifizierung neuer Fertigungsprozesse mit ressourceneffizientem Werkstoffeinsatz. Dabei rücken Ermüdungseigenschaften in den Fokus, deren experimenteller Nachweis häufig den Engpass für den Übergang von der Entwicklung zum Serieneinsatz darstellt. Hier bietet das Fraunhofer IWS mit seinem modernen Hochfrequenz-Prüflabor vielfältige Möglichkeiten für eine schnelle Festigkeitsbewertung von Werkstoffen und Bauteilen und schafft somit eine bisher nicht erreichte Verkürzung der notwendigen Prüfzeiten.

Werkstoff- und Bauteilprüfung unter kombinierter Torsions-Axialbelastung

Die Torsions-Axial-Prüfmaschine erlaubt eine kombinierte und somit anwendungsnahe Belastung von Lastübertragungselementen, was insbesondere bei laserstrahlgeschweißten Welle-Nabe-Verbindungen ausgenutzt wird.
© Fraunhofer IWS
Die Torsions-Axial-Prüfmaschine erlaubt eine kombinierte und somit anwendungsnahe Belastung von Lastübertragungselementen, was insbesondere bei laserstrahlgeschweißten Welle-Nabe-Verbindungen ausgenutzt wird.

Lastübertragungselemente sind, unabhängig von den eingesetzten Antriebskonzepten, in nahezu allen industriellen Anwendungen zu finden. Aus diesem Grund stellt die betriebsfeste Auslegung dieser Komponenten ein stetig aktuelles Thema dar. Am Fraunhofer IWS liegt der Fokus auf gefügten, rotationssymmetrischen Bauteilen, die einer überlagerten Torsions- und Axialbelastung unterliegen. Sowohl die simulationsgestützte Auslegung als auch der experimentelle Schwingfestigkeitsnachweis bei den komplexen Spannungszuständen im Fügestellenbereich stellen ein intensives Forschungsfeld am Fraunhofer IWS dar.

Lebensdauervorhersage durch Defektanalyse

Hochauflösende Bruchflächenanalysen werden mit dem Ziel durchgeführt, die rissauslösenden Merkmale zu bestimmen und zu vermessen. Dies ermöglicht eine Abschätzung der Lebensdauer auf Basis der Werkstoffqualität.
© Fraunhofer IWS
Hochauflösende Bruchflächenanalysen werden mit dem Ziel durchgeführt, die rissauslösenden Merkmale zu bestimmen und zu vermessen. Dies ermöglicht eine Abschätzung der Lebensdauer auf Basis der Werkstoffqualität.

Ein Ermüdungsbruch basiert bei Werkstoffen und Bauteilen zumeist auf Kerbwirkungen resultierend aus Defekten oder mikrostrukturellen Unregelmäßigkeiten. Eine belastungsgerechte Auslegung von Strukturbauteilen ist daher nur unter der Berücksichtigung dieser festigkeitsreduzierenden Merkmale möglich. Dieser Aspekt gewinnt bei additiv aufgebauten oder gefügten Strukturen zusätzlich an Bedeutung. Deshalb basieren am Fraunhofer IWS Lebensdauerabschätzungen stets auf experimentellen Zusammenhängen zwischen der Ermüdungsfestigkeit und den rissauslösenden Elementen einer Struktur. Die Zielstellung liegt hierbei nicht zwangsläufig bei »so gut wie möglich«, sondern häufig bei »so gut wie nötig«.