Tracking down wear and tear

Rund sieben Prozent des Bruttosozialprodukts beträgt der Schaden, der in Industrieländern jährlich durch Verschleiß verursacht wird. Hier gilt: Je früher ein kritischer Zustand erkannt wird, desto geringer sind die Auswirkungen – sowohl im Hinblick auf die Sicherheit als auch auf die Wirtschaftlichkeit. Genau daran forschen die Wissenschaftler und Studierenden am Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau der Montanuniversität Leoben / Steiermark.
Im Fokus der Forschung, die vielfach auch im Auftrag internationaler Industriekooperationen erfolgt, stehen Maschinen aus dem Mobility- und Energy-Bereich und deren mechanische Komponenten. Um den Verschleiß der Bauteile im Vorfeld einzuschätzen und zu berechnen, führen die (angehenden) Ingenieure Schadensanalysen von im Modellmaßstab tribologisch beanspruchten Bauteilen durch – beispielsweise von Verzahnungen, Ventiltriebsystemen, Kurbelwellen, Pleuel, Zylinderlaufbahnen oder Kolbenbolzen.
Ein zweiter Schwerpunkt am Lehrstuhl betrifft die Betriebsfestigkeit von Bauteilen. Dazu wird vor allem deren Schwingfestigkeitsverhalten anhand kleiner Prüfobjekte untersucht. „Zur Prüfung der Betriebsfestigkeit führen wir zum Beispiel aufwändige Tests mit Schwingprüfmaschinen durch“, erklärt Dr. mont. Michael Pusterhofer, Senior Scientist am Lehrstuhl. „Dabei wird ein Bauteil, etwa ein Pleuel oder eine Kurbelwelle, für den Betrieb ausgelegt und durch Ziehen und Drücken auf Herz und Nieren geprüft.“ Ziel ist eine Optimierung der technischen Systeme, sei es hinsichtlich Belastbarkeit, Verschleißverhalten, Wirkungsgrad oder Herstellkosten.

Prüfung der Proben mit dem MarSurf VD 140

Nach den Testreihen werden die Proben genauestens untersucht. Ein wichtiges Werkzeug ist das MarSurf VD 140, das seit rund einem Jahr die Arbeit im Labor unterstützt. Der Rauheits- und Konturenmessplatz mit 140 mm Taststrecke bietet eine hohe Geschwindigkeit und viel Flexibilität. Diese zeigt sich vor allem durch den großen Messbereich, einem Werkstückgewicht von max. 80 Kilo und einem sehr einfachen Spannsystem, mit dem sich Werkstücke sicher, schnell und richtig positionieren lassen. „Letzteres unterstützt auch die hohe Wiederholbarkeit und die Genauigkeit der Messungen, und mit den schnellen CNC-Achsen und der Software MarWin lässt sich der Prozess zudem automatisieren“, erklärt Michael Parzer, Field Sales Engineer bei der Mahr Austria GmbH.
Die Messungen mit dem MarSurf VD 140 übernehmen vor allem Studierende ab dem vierten Semester sowie Dissertanten, so Pusterhofer. Der Messbereich am Institut liegt bei der Kontur bei 70 Millimeter, bei der Rauheit bei rund einem halben Millimeter. Weil das Messgerät automatisierbar ist, werden in einem Gang bis zu 100 Proben durchgemessen und daraus Fragestellungen – etwa für spätere Abschlussarbeiten – entwickelt. Mit dem taktilen Allrounder von Mahr sind Mehrfachmessungen von 30 bis 40 Profilen parallel möglich, „das macht die Maschine automatisch, beispielsweise im Abstand von jeweils 0,5 Millimetern. Die Streuung mit dem Gerät ist extrem gering“, betont der Ingenieur. Eine selbst geschriebene Software erstellt aus den Messungen dann eine 3D-Oberfläche, wodurch sich die Verschleißebene erkennen lässt.

Taktil vs. optisch

Die Messergebnisse werden schließlich mit verschiedenen Methoden und Modellen auf reale Bauteile übertragen. Wie Pusterhofer berichtet, wird am Institut auch optische 3D-Messung genutzt. „Mit einem 3D-Gerät lassen sich die oben beschriebenen Messaufgaben ebenfalls lösen, jedoch sind solch umfangreiche Messungen oft nicht für alle Fragestellungen notwendig. Mit einem Konfokalmikroskop bräuchte man für diese Aufgabe rund acht Stunden – mit dem taktilen VD 140 hingegen nur fünf Minuten bei einer Spitzenauflösung. Eine bessere Qualitätssicherung gäbe es für diesen Fall nicht“, fasst der Forscher zusammen.
Man sei mit dem Mahr-Gerät höchst zufrieden, weil es sich bestens für schnelle und wiederkehrende Messaufgaben eignet. Inzwischen wissen das auch die Kollegen aus anderen Abteilungen zu schätzen, die das Gerät gern verwenden, etwa um die Wärmeausdehnung von Schichtverbunden zu prüfen oder um den Einfluss verschiedener Abgussparameter auf die Oberflächenmorphologie zu untersuchen.

Direkter Service durch nahen Standort

Das Gerät ist nun seit rund einem Jahr am Institut in Betrieb und erweitert damit den großen Gerätepark am Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau. Wie Pusterhofer berichtet, wurde 2021 der Maschinenpark erweitert, er selbst hatte nachdrücklich für ein taktiles Gerät plädiert. „Wir haben einen internen Vergabeprozess gemacht, den Mahr für sich entschieden hat. Neben den sehr hohen Genauigkeiten überzeugte uns auch der Preis. Und wovon wir ebenfalls profitieren, ist die Nähe zum Mahr-Standort, der einen direkten Service möglich macht“, erklärt der Ingenieur. Michael Parzer sei immer erreichbar gewesen und hätte großartigen Support geleistet.
"Das VD 140 funktioniert verdammt gut, und ich bin sehr, sehr happy mit dem Kauf, ebenso wie die Kollegen.“ - Pusterhofer und ein Techniker des Instituts absolvierten bei Mahr Austria eine zweitägige Schulung und übernehmen seither Weitergabe des Wissens an die Kollegen und Studenten am Institut.
Ausgestattet mit dieser leistungsstarken 2D-Technik kann sich das Forscherteam nun vollständig auf seine Kernkompetenzen konzentrieren und dem Verschleiß und der Materialermüdung gezielt entgegentreten. Und damit letztlich auch die Energie- und Mobilitätswende vorantreiben.