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In seiner Doktorarbeit „Rissdetektion mittels akustischer Emission an höchstfesten Stahldrähten“ hat Mathias Lorenz M. Eng. die Nutzung der akustischen Emissionstechnik zur Erkennung und Analyse von Rissen während der industriellen Serienfertigung von Schraubendruckfedern aus höchstfesten Stählen untersucht. Im Fokus stand dabei die Detektion von Rissentstehung und -wachstum. Durch Laborversuche konnte er relevante Einflussfaktoren auf das akustische Signal identifizieren und eine automatisierte In-situ-Rissdetektion ermöglichen. Dabei hat Lorenz die akustischen Signale verschiedenen Schädigungsmechanismen eindeutig zuordnen können und geeignete Analyseketten in der Software entwickelt.
Hohe Kosten durch unentdeckte Risse vermeiden
Schraubendruckfedern erfüllen, trotz ihrer einfachen Bauweise, anspruchsvolle Aufgaben wie das Speichern mechanischer Energie und das Erzeugen von Vorspannkräften. Ihre hohe Beanspruchung, insbesondere bei Ventilfedern in Motoren, erfordert höchste Oberflächen- und Werkstoffqualität. Der Bruch einer Feder kann hohe Folgekosten verursachen, was die Rissdetektion essenziell macht. Aktuell fehlen jedoch zerstörungsfreie In-Situ-Überwachungslösungen für die Federnproduktion. Verfahren wie die Magnetpulverprüfung erkennen nur äußere Risse, sind zeitaufwendig und erfolgen nach kritischen Fertigungsschritten. Bei Schwingversuchen werden zudem nur ausgewählte Federn geprüft, was die Methode ineffizient und teuer macht. Eine automatisierte und wirtschaftliche Lösung ist bisher nicht verfügbar.
Verfahren mit hohem Praxispotential
Die akustische Emissionstechnik konnte erfolgreich zur Unterscheidung von Mikro- und Makrorissen sowie zur Überwachung im Schwingversuch ausgewählten (sicherheitsrelevanten) Federn und unter realen Bedingungen an Windemaschinen eingesetzt werden. Es zeigte sich, dass Material- und Prozessparameter keinen Einfluss auf die risstypischen akustischen Signale haben, die bei einer Ähnlichkeit von 65 Prozent materialspezifisch gleich bleiben. Mikrorisse ab einer Größe von 20 µm – was ungefähr einem Fünftel der Dicke eines Haares entspricht – wurden zuverlässig detektiert und durch Rasterelektronenmikroskopie bestätigt. Zudem ermöglicht die Technik eine Unterscheidung verschiedener Schädigungsmechanismen wie wasserstoff-induziertem interkristallinem Spaltbruch und transkristallinem Wabenbruch in In-situ-Anwendungen. Dieses Ergebnis schätzt Professorin Schwerdt besonders, da es sowohl in der industriellen Anwendung in der Federnindustrie als auch bei der zukünftig zu entwickelnden Prüfmethodik für schnelle Versuche zur Verifizierung von Materialen zur Anwendung kommen kann, die in druckwasserstoff-führenden Systemen verbaut werden sollen. Wie hoch das Interesse für eine industrielle Anwendung ist, wurde durch die Anwesenheit von Industrievertretern der Fachbranche und deren Diskussionsbeiträge während der Verteidigung deutlich.
Förderung wissenschaftlichen Nachwuchses
Während der Arbeit an seiner Dissertation wurde der Absolvent des Masterstudienganges „Maschinenbau/Verfahrens- und Energietechnik“ am Bereich „Maschinenbau/Verfahrens- und Umwelttechnik“ der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Hochschule Wismar von Professorin Dr.-Ing. Daniela Schwerdt fachlich betreut. Im Rahmen des kooperativen Promotions-verfahrens mit der Universität Rostock war Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, Lehrstuhl für Fertigungstechnik, an der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik sowie Leiter des Fraunhofer-Instituts für Großstrukturen in der Produktionstechnik IPG sein Betreuer. Zweiter Gutachter war Prof. Dr.-Ing. habil. Olaf Keßler vom Lehrstuhl für Werkstofftechnik. Als Mitglied der Prüfungskommission war Prof. Dr.-Ing. habil. Knuth-Michael Henkel, Lehrstuhl Fügetechnik, vor Ort in die Verteidigung eingebunden, die von Prof. Dr.-Ing. Hermann Seitz, Lehrstuhl für Mikrofluidik, als Vorsitzendem des Verfahrens moderiert wurde.
Die Arbeit entstand im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) finanzierten Forschungsprojektes IGF 20846 BR.
Das Promotionsvorhaben wurde durch eine einjährige Teilzeit-Promotionsstelle an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Hochschule Wismar unterstützt. Außerdem nahm Mathias Lorenz an speziellen Veranstaltungen unserer Hochschule zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses teil. Seit Juni 2024 ist der 38-Jährige weiterhin in Wismar als wissenschaftlicher Mitarbeiter und für die Region als Netzwerkkoordinator des Innovations- und Wissenschaftsparks (IWP) Wismar/Schwerin in der hochschuleigenen Forschungs-GmbH Wismar tätig.
Mathias Lorenz M. Eng.
03841 753-75 01
mathias.lorenz@hs-wismar.de
Lorenz M., Salih M., Schwerdt D., Al-Hamdany N., Maawad E., Schell N. and Müller E.: Three-Point Bending Test and Crack Detection by Acoustic Emission on Different Spring Steel Wires with Different Crystallographic Textures, Journal of Materials Science and Engineering A 13 (7-9) (2023) 53-67.
doi: 10.17265/2161-6213/2023.7-9.001
https://www.hs-wismar.de/forschung/aus-der-forschung/fdb/detail/n/rissdetektion-... Forschungsprojekt IGF 20846BR "Rissdetektion SE"
https://fiw.hs-wismar.de/fakultaet/ausstattung-forschung/forschungsgruppen/ag-we... Arbeitsgruppe Werkstoffe an der Hochschule Wismar
Mathias Lorenz M. Eng. demonstriert an der hochmodernen Universalprüfmaschine des Bereiches Maschine ...
Kerstin Baldauf
Hochschule Wismar
Mathias Lorenz M. Eng. nach der erfolgreichen Verteidigung seiner Doktorarbeit mit (v. l.) Prof. Dr. ...
Kerstin Baldauf
Hochschule Wismar
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars
Construction / architecture, Environment / ecology, Materials sciences
transregional, national
Scientific Publications, Transfer of Science or Research
German
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