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Lager aus hochfestem Stahl sind nahezu überall verbaut: von der Radnabe am Fahrrad über Einspritzsysteme in Nutzfahrzeugen bis hin zu Getrieben in Windkraftanlagen. Sie fixieren gegeneinander bewegliche Bauteile und fangen Kräfte auf. Angesichts der Ressourceneffizienz ist es entscheidend, dass diese kritischen Bauteile mindestens ihre volle Lebensdauer erreichen. Eine Forschungsgruppe untersucht aktuell die Mechanismen hinter vorzeitiger Materialermüdung. Im Fokus der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler steht ein Phänomen, das mit dem Ausfall von Windkraftgetrieben in Zusammenhang steht. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das Vorhaben mit rund 4,5 Millionen Euro.
Beim Betrieb von Windkraftanlagen wurde das Schadensphänomen entdeckt: Lager, die im Getriebe sitzen und die Bewegung der Welle zwischen Windrad und Stromgenerator führen, versagten vermehrt deutlich früher als technisch ausgelegt. „Diese Lager haben nur ein bis zehn Prozent der erwarteten Lebensdauer erreicht. Das führt bei derart großen Anlagen zu enormem zusätzlichen Instandhaltungs- und Ressourcenaufwand – insbesondere, wenn sie offshore installiert sind“, erklärt Professor Eberhard Kerscher, der an der RPTU Kaiserslautern-Landau forscht und die neue Forschungsgruppe gemeinsam mit Professor Ulrich Krupp, RWTH Aachen, leitet. „Um Windkraftanlagen technisch zu optimieren, erforscht die Wissenschaft die zugrundeliegenden Schädigungsprozesse seit den 1990er-Jahren intensiv. Viele Ansätze zur Klärung sind in der Diskussion, die Mechanismen dahinter jedoch längst nicht vollständig verstanden. Zusätzliche Bedeutung erhält die Forschungsarbeit dadurch, dass diese vorzeitigen Ausfälle nicht nur auf zyklisch hoch beanspruchte Lager in Windkraftgetrieben beschränkt sind.“
Fokus auf mechanische Schäden im Werkstoff
Die Forschungsgruppe, die Expertise in Werkstoffprüfung, Werkstoffkunde, Oberflächen- und Grenzflächenanalytik, Mechanik und Elektronenmikroskopie vereint, will künftig mehr Licht ins Dunkel bringen. Die Forschenden setzen hierzu bei zwei bereits bekannten Phänomenen der Materialermüdung an, welche plötzlich zum Versagen von zyklisch beanspruchten Bauteilen führen können. Zum einen untersuchen sie lokal begrenzte Feinkornbildung (fine granular area, FGA bzw. optical dark area, ODA), die bei hoher zyklischer Langzeitbeanspruchung im Inneren von Bauteilen aus hochfestem Stahl auftritt. Damit verbunden ist immer eine Rissbildung, wobei der Rissausgang mit der Feinkornzone direkt zusammenfällt. „Bei den Frühausfällen von hochbeanspruchten Lagern, unter anderem in Windkraftanlagen, beobachtet man in den meisten Fällen im Bereich der Schädigungsinitiierung ebenfalls eine Feinkornbildung, die in diesem Fall mit Rissnetzwerken einhergeht. Diese Veränderungen im Materialgefüge entstehen unterhalb der Laufflächen der Lager“, ergänzt Kerscher. In der Wissenschaft heißt das Phänomen „weiß anätzende Rissflanken“ (white etching cracks, WEC). Der Name kommt daher, dass unter dem Lichtmikroskop die Rissflanken weiß erscheinen, wenn ein Mikroschliff des geschädigten Werkstoffs poliert und mit einem Kontrastmittel behandelt, d.h. geätzt wird.
Erst die Henne oder das Ei?
„Wir gehen davon aus, dass zwischen den beiden Schadensursachen enge Analogien bestehen“, erklärt Kerscher. „Unser Forschungsziel ist es, zunächst die zugrundeliegenden Mechanismen vollständig zu klären und basierend auf den Erkenntnissen werkstofftechnische Konzepte zur Verhinderung zu entwickeln.“ Dabei widmet sich das Forschungsteam auch einem in der Wissenschaft viel diskutierten „Henne-Ei-Problem“: Entsteht die Feinkornbildung dadurch, dass zuerst Risse vorhanden sind und deren Rissflanken aufeinanderschlagen, oder löst die Ermüdungsbeanspruchung zunächst eine Feinkornbildung aus und es kommt nachfolgend zu Rissen?
Zusammenwirken von vier Technischen Universitäten und zwei Instituten
Am Forschungsvorhaben, vollständig betitelt mit „Identifikation der Entstehungsmechanismen weiß anätzender Rissflanken und feinkörniger dunkler Zonen bei Ermüdungsbeanspruchung – Parallelen und Unterschiede (White and Dark)“, sind folgende Partner beteiligt:
- RPTU: Projektleiter Professor Eberhard Kerscher, Professor Tilmann Beck und Dr. Bastian Blinn
- RWTH Aachen: Professor Christoph Broeckmann, Professor Ulrich Krupp, Professor Joachim Mayer, Dr. Alexander Schwedt , und Dr. Marion Kreins
- TU Darmstadt: Professor Ralf Müller
- Uni Kassel: Professorin Wenwen Song
- IFOS: Institut für Oberflächen- und Schichtanalytik: Dr. Anna Demchenko
Fragen beantwortet:
Prof. Dr.-Ing. Eberhard Kerscher
Arbeitsgruppe Werkstoffprüfung, RPTU in Kaiserslautern
Tel.: 0631 205- 2136
E-Mail: e.kerscher@rptu.de
Prof. Dr.-Ing. Eberhard Kerscher
Arbeitsgruppe Werkstoffprüfung, RPTU in Kaiserslautern
Tel.: 0631 205- 2136
E-Mail: e.kerscher@rptu.de
Das Forschungsteam hat die Ursachen für frühzeitiges Versagen von Lagern im Blick. Hier beispielhaft ...
Thomas Löber
RPTU, Thomas Löber
Criteria of this press release:
Journalists
Materials sciences
transregional, national
Research projects
German
Das Forschungsteam hat die Ursachen für frühzeitiges Versagen von Lagern im Blick. Hier beispielhaft ...
Thomas Löber
RPTU, Thomas Löber
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