Drei Jahre Forschung – wie präzise müssen künstliche Fehler sein, damit Prüfergebnisse zuverlässig vergleichbar sind?
Gemeinsam mit dem Laserinstitut der Hochschule Mittweida haben wir in den vergangenen drei Jahren im Forschungsprojekt „Laserbasierte Erzeugung und Charakterisierung von Mikrostrukturen für ZfP-Vergleichskörper“ genau daran gearbeitet.
Vergleichskörper spielen in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eine wichtige Rolle. Definierte künstliche Fehler – sogenannte Ersatzfehler – dienen beispielsweise bei der Wirbelstrom- oder Ultraschallprüfung dazu, Prüfsysteme einzustellen und Ergebnisse vergleichbar zu machen.
Doch wie genau müssen diese Ersatzfehler eigentlich sein?
Im Forschungsprojekt haben wir unter anderem untersucht:
- Welchen Einfluss hat das Querschnittsprofil – beispielsweise V- oder U-förmig – auf das Prüfsignal?
- Verändert die Herstellung der Ersatzfehler das Werkstoffgefüge und damit möglicherweise das Prüfergebnis?
- Wie wirken sich Abweichungen von der vorgegebenen Geometrie auf das Prüfsignal aus?
- Und wie lassen sich sehr kleine oder schwer zugängliche Ersatzfehler zuverlässig vermessen?
Lasertechnik als Alternative zur Funkenerosion
Für die Herstellung definierter Geometrien im Bereich von 0,1 mm wurde bislang vor allem die Funkenerosion (EDM) eingesetzt. Im Projekt konnte nun ein Strukturierungsverfahren mit ultrakurzen Laserpulsen entwickelt werden, mit dem definierte Nutgeometrien mit sehr hoher Genauigkeit und beidseitig senkrechten Flanken erzeugt werden können.
Die Laserablation ermöglicht dabei eine hochpräzise Herstellung ohne den Einsatz von Dielektrikum und bietet damit auch aus ökologischer Sicht Vorteile.
Wie vermisst man Fehler, an die man kaum herankommt?
Ein weiterer Schwerpunkt war die Qualifizierung der Abdrucktechnik. Sie ermöglicht die hochgenaue Vermessung von Strukturen, die lichtmikroskopisch nur schwer oder gar nicht zugänglich sind – beispielsweise sehr kleine Ersatzfehler, Strukturen mit hohen Aspektverhältnissen, Fehler auf sehr großen Bauteilen oder innerhalb von Bohrungen.
Im Projekt konnte die Prozesssicherheit dieses Abdruckverfahrens nachgewiesen und ein vom DAkkS anerkanntes Hausverfahren für die geometrische Überprüfung von Ersatzfehlern entwickelt werden. Für ausgewählte Anwendungsfälle wurden außerdem Aussagen zu sinnvollen Toleranzvorgaben für die Herstellung von Vergleichskörpern abgeleitet.
Warum ist diese Genauigkeit für die ZfP wichtig?
Schon kleinste geometrische Abweichungen können das Prüfsignal beeinflussen. Bei der Wirbelstromkomponentenprüfung können beispielsweise bereits Abweichungen im 1/10-µm-Bereich zu deutlichen Unterschieden führen.
Gerade beim Einstellen der Prüfempfindlichkeit ist das entscheidend: Abweichungen können dazu führen, dass relevante Fehler nicht erkannt oder umgekehrt zu viele Bauteile aussortiert werden.
Hochpräzise und zuverlässig charakterisierte Ersatzfehler schaffen deshalb eine wichtige Grundlage für mehr Bewertungssicherheit, reproduzierbare Prüfungen und eine bessere Vergleichbarkeit unterschiedlicher Anlagentechnik.
Nach drei Jahren intensiver Forschungsarbeit ist das gemeinsame Projekt nun erfolgreich abgeschlossen. Vielen Dank an das Laserinstitut der Hochschule Mittweida und alle Beteiligten für die Zusammenarbeit und den fachlichen Austausch!
Das Forschungsprojekt wurde durch die Europäische Union und den Freistaat Sachsen gefördert.
