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Material-Prüfmaschinen

Manufacturing-Execution-SystemeDie selbstregelnde Fabrik

Mobile MES-Anwendungen mit Hydra von MPDV

Begriffe wie Selbstregelung, Selbstoptimierung oder selbstlernende Maschinen tauchten bereits in den Anfängen der Industrie 4.0 auf. Sie halten sich hartnäckig, werden in jüngster Zeit sogar häufiger genannt.

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Material-PrüfmaschinenStrahlende Proben

Der sichere Betrieb von Atomkraftwerken und atomaren Endlagern ist weltweit ein wichtiges Forschungsthema. Um ein Höchstmaß an Sicherheit gewährleisten zu können, müssen die verwendeten Materialien unter realitätsnahen Bedingungen geprüft werden. Das gilt auch für spezielle Werkstoffe, die in Fusionsreaktoren eingesetzt werden. Bei den Untersuchungen geht es um die Auswirkungen hoher Neutroneneinflüsse, die Materialschäden wie etwa Verhärtung und Versprödung verursachen.

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Material-Prüfmaschine

Atomkraftwerke in Europa sind in der Regel für einen Betrieb von circa 40 Jahren ausgelegt. Unabhängig von der Energiewende und dem damit verbundenen Ausstiegsbeschluss in Deutschland werden weltweit die Voraussetzungen für längere Laufzeiten der Kernkraftwerke (60 bis 80 Jahre) geschaffen. Durch die damit verbundenen Alterungseffekte sind die Materialien zeitlich gesehen einer höheren Neutronendosis ausgesetzt. Wie wirkt sich dies aus? Sind die Verfahren und Vorhersagemodelle, mit denen die Versprödung bisher überwacht wird, auch für den Langzeitbetrieb von Kernkraftwerken geeignet oder müssen sie angepasst werden? Auch bei speziellen Werkstoffen für Fusionsreaktoren, die für die nächsten Jahrhunderte wesentlich zur Deckung des Elektrizitätsbedarfs der Menschheit beitragen sollen, geht es um die Wirkung hochenergetischer Neutronen.

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Zu den Instituten und Forschungseinrichtungen, die sich mit den Auswirkungen der Strahlung auf Werkstoffe beschäftigen, gehören das Isotope Technologies Dresden (ITD) und das Institut für Materialforschung in Karlsruhe. Beide setzen Prüfmaschinen der Firma Zwick aus Ulm ein. Dazu gehören Pendelschlagwerke für Kerbschlagbiegeversuche, Prüfmaschinen für Zugversuche sowie ein Härteprüfsystem.

Instrumentierte Eindringprüfung

Im Forschungszentrum Karlsruhe geht es neben normativen Prüfungen um das Konzept der Charakterisierung von bestrahlten Materialien durch die Instrumentierte Eindringprüfung. Spezielle strukturelle Werkstoffe wie Eurofer 97 für kommerzielle Fusionsreaktoren mit einer erwarteten Lebensdauer von etwa 30 Jahren, müssen nicht nur höhere Einsatztemperaturen und Kühlmitteldrücke erlauben, sie sollten auch hohen Neutroneneinflüssen standhalten, die Materialschäden wie Verhärtung, Versprödung, dimensionale Instabilität, etc. verursachen.

Mikroskop mit CCD-Kamera

Zur Prüfung wird ein modulares Härteprüfsystem von Zwick Roell eingesetzt, das die Wissenschaftler bei der Untersuchung der Materialeigenschaften nach der Bestrahlung unterstützt. Zwick war der einzige Hersteller, der eine Lösung für diese einzigartige Anwendung anbieten konnte. Die universale Härteprüfmaschine ZHU0.2/Z2.5 hat einen Kraftbereich von 2 bis 200 N und eine Verdrängungs-Messgenauigkeit von 0,02 µm. Das System ist mit einem vollautomatischen X/Y-Tisch ausgestattet sowie mit einem Rockwell- und einem Vickers Eindringkörper. Der Eindruck kann durch ein Mikroskop betrachtet werden, das mit einer CCD-Kamera ausgerüstet ist.

Die Härteprüfmaschine wurde in einer gasfesten „heißen Zelle“ mit 200 mm / 500 mm Bleiglasschutz installiert. Sie führt mehrstufige Eindringprüfungen (mit Last / ohne Last) mit verschiedenen Haltezeiten aus. Neuronale Netzwerke bewerten die Korrelation zwischen diesen Prüfdaten und den Parametern eines viskoplastischen Werkstoffmodels, die normalerweise aus Zugprüfungen gewonnen werden. Die einzigartige Funktionsweise des Eindringprüfgeräts ermöglicht hochgenaue Lastzyklen mit unterschiedlichen Kräften und Verdrängungen mit vorgegebenen Haltezeiten bei jedem Zyklus. Die Prüfsoftwareplattform testXpert von Zwick für Werkstoffprüfungen, wird zur Steuerung des Geräts und zur Ermittlung der synchronisierten Kraft- und Eindringdaten eingesetzt. Die Daten werden dann in einem speziellen Format gespeichert und an ein übergeordnetes neuronales Netzwerk übertragen, um die Materialeigenschaften wie Elastizitätsmodul, Eindringweg, Zugfestigkeit sowie weitere Verfestigungskoeffizienten zu bestimmen.

Kerbschlag- und Zugversuche

Das ITD liefert so genannte „heißen Zellen“ inklusive Zugprüfmaschine und Pendelschlagwerk an das Kharkow Institute of Physics and Technologies (Ukraine), in dem die Versuche durchgeführt werden. Ziel ist die Bestimmung der Zähigkeit und Zugfestigkeit der Materialien über Kerbschlagbiegeversuche. Das Pendelschlagwerk RKP450 von Zwick hat einen automatischen Aufzug und eine stufenlos einstellbare Ausklinkhöhe. Es ist mit einer Sonderlackierung, abgesetzter Elektronik und verschiedenen anderen Maßnahmen für den Einsatz in einer heißen Zelle vorbereitet. Vor dem eigentlichen Versuch können die Proben zwischen -180 und + 600°C temperiert werden. Dank einer automatischen Zuführung und Zentrierung der Probe ist eine hohe Wiederholbarkeit der Versuche möglich.

Für die Zugversuche kommt eine Prüfmaschine AllroundLine zum Einsatz, die ebenfalls auf den Betrieb in radioaktiver Umgebung angepasst wurde. Hierzu gehörten beispielsweise eine Sonderlackierung und strahlungsresistente Kabelisolierungen. Zur Messung der Probenverformung wird ein laserXtens mit einem Bleigehäuse eingesetzt. Damit sind berührungslose Messungen bis 350 °C innerhalb einer Temperierkammer möglich. Das komplette System ist auf die Bedienung mit einem Manipulator abgestimmt. So können auch kleine radioaktive Proben sicher eingelegt und nach dem Versuch entfernt werden. cs

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