Materialfehler automatisch und besser finden

21.03.2013: Die einwandfreie Funktion ist in vielen technischen Bereichen sehr wichtig. Immer bedeutender wird deshalb die Überprüfung auf Materialfehler oder Ermüdungserscheinungen. Denn beispielsweise der Ausfall eines Wälzlagers in Achswellen, wie sie in Eisenbahnwaggons oder Windkraftanlagen eingesetzt werden, kann zu hohen Kosten führen, im schlimmsten Fall können auch Menschen zu Schaden kommen. Wissenschaftler der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung haben deshalb Prüfköpfe entwickelt, die nicht nur eine Automatisierung dieser zerstörungsfreien Prüfung ermöglichen, sondern deren Messwerte zusätzliche Informationen liefern, die Aussagen über die Form eines Risses gestatten.

Bisher werden beispielsweise Lagerringe unter hohem Personalaufwand mit Magnetpulver geprüft. Am Streufeld von Fehlstellen magnetisierter Werkstücke sammeln sich unter UV-Licht sichtbare fluoreszierende Eisenteilchen. Das ist sehr zeitintensiv und teuer. Großer Vorteil der neuen Methode verglichen mit der herkömmlichen Magnetpulverprüfung: „Wir sind in der Lage zu sagen: ´Der Riss hat diese Tiefe´“, beschreibt der Projektleiter Marc Kreutzbruck die neue Prüftechnik. Und die Prüfung ist auch in kürzerer Zeit möglich. Das eigentliche Phänomen, das die Wissenschaftler ausnutzen, ist bekannt: An einem Riss verändert sich das Magnetfeld. Die Idee an der BAM ist der Einsatz spezieller Sensoren, die diese Veränderung des Magnetfeldes messen können.

Das Hauptelement dieser Prüfköpfe bilden winzige Sensoren, die auf eine Veränderung des Magnetfeldes mit einer Veränderung des elektrischen Widerstands reagieren. Diesen Effekt nennen Physiker Magnetoresistenz. Benutzt werden dafür GMR-Sensoren. GMR steht für Giant Magnetoresistance und kann mit Riesenmagnetowiderstand übersetzt werden. GMR-Sensoren finden sich in vielen Smartphones, in herkömmlichen Festplattenleseköpfen oder auch im Auto, beispielsweise zur Messung der Fahrdynamik (Stichwort ESP) oder der Raddrehzahl (Stichwort ABS).

Das Vorgehen bei der neuen Prüfeinrichtung ist folgendermaßen: Am Prüfkopf angebrachte stromdurchflossene Spulen erzeugen im Prüfling eine lokale Magnetisierung. An Fehlstellen bildet sich ein magnetisches Streufeld aus, das mit Hilfe der GMR-Sensoren gemessen wird. Im Prüfstand werden die Lagerringe von allen Seiten streifenweise abgetastet. Der Prüfling wird eingespannt und in Rotation versetzt. Die Prüfköpfe fahren in Position und werden an die Oberfläche geführt.

Für die Prüfköpfe wurden mehrere Sensoren zu so genannten Sensor-Arrays zusammengeschlossen. Jede dieser Sensorreihen hat eine Länge von 3,4 mm und ist mit jeweils 16 Einzelsensoren bestückt, die ihrerseits eine Abtastlänge von etwa 200 Mikrometer besitzen. Auch diese Arrays können dann zu Gruppen zusammengeschaltet werden. Im vorliegenden Fall kamen drei Gruppen mit insgesamt 48 Sensoren zum Einsatz. Die Abtastzeit zur Prüfung des gesamten Lagerrings verringert sich dadurch. Aus den Messdaten baut sich dann schrittweise das Bild auf. Mögliche Defekte werden markiert. Um die Defekte in ihrer Dimension beurteilen zu können, setzen die BAM-Wissenschaftler auf Vergleichswerte, die bei Referenzmessungen an Testfehlern ermittelt wurden. Nächstes Ziel bei den GMR-Sensoren: „Wir wollen sie in Form und Spezifikation für weitere Prüfaufgaben anpassen und durch Firmenkooperationen zur Marktreife für die zerstörungsfreie Prüfung entwickeln“, sagt der Physiker Kreutzbruck.