Ermüdungsverhalten und Lebensdauervorhersage

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.

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.

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«.

Gilt es Naturfaserwerkstoffe für struktur-relevante Strukturen wie bspw. Brücken und andere Tragstrukturen einzusetzen, dann muss eine Vorhersage der Langlebigkeit auch mechanisch wiederholte Belastung berücksichtigen. Die Arbeitsgruppe Werkstoff- und Bauteilzuverlässigkeit am Fraunhofer IWS befasst sich mit der Zuverlässigkeitsbewertung von Naturfaserwerkstoffen. Die nachhaltige Materialklasse Holz bzw. Holzverbindungen bieten eine ökologische Alternative zu klassischen Faserverbundwerkstoffen und gewinnen aufgrund der Nachhaltigkeit in verschiedensten Industriezweigen an Bedeutung.

Ziel der Forschungsarbeiten am Fraunhofer IWS ist es, die mechanischen Eigenschaften mit Schwerpunkt auf dem Werkstoffverhalten unter zyklischer mechanischer Beanspruchung zu bewerten. Hierfür stehen verschiedene Prüfmethoden wie beispielsweise 4-Punkt-Biegevorrichtungen und in-situ Messtechnik (z. B. Thermografie und digitale Bildkorrelation für Dehnungs-und Verschiebungsmessung) zur Verfügung. Weiterhin werden anwendungsspezifische Prüfmethoden entwickelt, mit denen sich praxisrelevante Kennwerte für die quasistatische Festigkeit und das Ermüdungsverhalten bestimmen lassen. Ein Selbstverständnis ist dabei die Aufklärung der Schädigungsentwicklung. Nur wenn versagenskritische Werkstoffbereiche identifiziert werden können, besteht auch eine Möglichkeit, festigkeitssteigernde Gegenmaßnahmen zu ergreifen.  So können Risiken minimiert und die Sicherheit in der Anwendung erhöht werden.

Die gewonnenen Erkenntnisse fließen direkt in die Entwicklung neuer, leistungsfähiger Naturfaserprodukte ein. Damit leistet das Fraunhofer IWS einen wichtigen Beitrag zur Etablierung nachhaltiger Werkstofflösungen in der Industrie.