ZERSTÖRUNGSFREIE WERKSTOFFPRÜFUNG UND MATERIALPRÜFUNG FÜR METALL
Erhöhte Ausschussquoten, blockierte Chargen und unerwartete Feldausfälle: Diese Probleme entstehen oft durch unzureichende Werkstoffprüfung. Die systematische Prüfung von Werkstoffen und Bauteilen ist der Schlüssel zu stabilen Produktionsprozessen und reduzierten Qualitätskosten. Im Folgenden finden Sie eine praxisnahe Übersicht über zerstörungsfreie und zerstörende Werkstoffprüfverfahren, es werden relevante Normen nach DIN EN ISO erwähnt. Außerdem wird gezeigt, wie die industrielle Computertomographie richtig durchgeführt als CT Werkstoffprüfung Prüfzeiten drastisch reduzieren kann.
Was ist Werkstoffprüfung und welchen wirtschaftlichen Nutzen bringt sie?
Die Werkstoffprüfung umfasst alle Verfahren, die Verhalten und die Werkstoffkenngrößen von Materialien oder fertigen Bauteilen unter verschiedenen Beanspruchungen ermitteln. Sie untersucht die mechanische Belastbarkeit und die Auswirkungen weiterer Einflüssen wie z.B. chemisch oder thermischer Natur. Ziel ist es zu gewährleisten, dass ein Bauteil den vorgesehenen Belastungen im Einsatz standhalten kann. Die Materialprüfung untersucht dabei sowohl das Festigkeits- und Verformungsverhalten als auch die Materialeigenschaften hinsichtlich seiner Reinheit und Fehlerfreiheit. Für produzierende Unternehmen bedeuten gute Prozessketten in der Materialprüfung: weniger Reklamationen, geringere Garantiekosten und höhere Kundenzufriedenheit.
In der industriellen Praxis kommen zerstörende und zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen zum Einsatz. Während bei der zerstörenden Materialprüfung die Probe zerstört wird, erlauben zerstörungsfreie Prüfverfahren eine Untersuchung ohne das Bauteil zu beschädigen. Diese Unterscheidung hat direkte Auswirkungen auf die Prüfkosten: Bei Serienprüfungen mit 1.000 Teilen oder mehr kann sich die zerstörungsfreie Prüfung bereits nach wenigen Chargen armotiesieren, wenn mit dieser ein fähiger und beherrschter Prozess erreicht oder aufrechterhalten wird.
Was versteht man unter zerstörungsfreier Werkstoffprüfung (ZfP)?
Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, international als NDT (Non-Destructive Testing) bekannt, ermöglicht die Prüfung von Werkstoffproben oder fertigen Bauteilen ohne deren Funktionsfähigkeit zu beeinträchtigen. Der entscheidende Vorteil: 100-Prozent-Prüfung wird möglich. In der Luftfahrt, Automobilindustrie und Medizintechnik ist das für Sicherheitskomponenten in der Regel keine Option, sondern eine Voraussetzung für die Typzulassung. Darum hat sich die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung als Standard für sicherheitskritische Komponenten etabliert.
Zu den etablierten zerstörungsfreien Prüfverfahren gehören die Sichtprüfung, Ultraschallprüfung, Durchstrahlungsprüfung (klassische Röntgenprüfung und industrielle Computertomographie), Eindringprüfung und Dichtheitsprüfung. Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden nach internationalen Normen wie DIN EN ISO 9712 durchgeführt und erfordern qualifizierte Werkstoffprüfer ZfP mit entsprechender Zertifizierung.
Für die industrielle CT-Prüfung als qualitatives ZfP-Verfahren existiert dabei keine klassische Laborakkreditierung wie sie aus dem metrologischen Umfeld bekannt ist. Stattdessen liegt der Schwerpunkt auf qualifiziertem Personal, definierten Prüfabläufen sowie einer konsistenten Dokumentation zur Sicherstellung von Rückverfolgbarkeit und Datenintegrität. Die Anforderungen, die insbesondere bei Audits und Kundenabnahmen ermittelt werden, spielen eine zentrale Rolle.
Computertomographie das leistungsstärkste volumetrische Verfahren in der Werkstoffprüfung
Die Computertomographie Werkstoffprüfung hat die zerstörungsfreie Prüfung grundlegend verändert. Bei der CT Materialprüfung wird das Bauteil aus mehreren hundert Winkeln mit Röntgenstrahlung durchstrahlt und ein vollständiges 3D-Modell des Inneren erzeugt. Die industrielle CT ist heute in vielen Fällen essenziell, wenn es um komplexe Geometrien, Gussteile, additive Fertigung oder sicherheitskritische Komponenten geht. Die Gründe dafür sind:
- CT ist das leistungsfähigste volumetrische Prüfverfahren für komplexe Bauteile.
- CT bietet die höchste Informationsdichte aller zerstörungsfreien Prüfverfahren.
- CT ist das einzige Verfahren, das vollständige 3D-Volumeninformationen liefert (inklusive innerer Strukturen, Wandstärken, Porositäten und Rissverläufen).
- CT ersetzt in vielen Anwendungen mehrere Einzelverfahren durch einen einzigen Scan.
CT Werkstoffprüfung bei Microvista
Industrielle CT als nicht zerstörende Werkstoffprüfung kann von Experten wie Microvista durchgeführt eine schnelle und präzise Detektion von Poren ab 15 μm, Lunkern, Einschlüssen und Rissen in einem einzigen Scanvorgang. Scanzeiten von unter 60 Sekunden für viele Bauteile ermöglichen dabei wirtschaftliche Serienprüfungen.
Zur Erreichung dieser Zielgrößen bietet Microvista die CT Werkstoffprüfung mit automatisierter Auswertung an. Dafür wurde in über 15 Jahren eine Spezialsoftware mit Cloudanbindung (InspectVista) und optimierte Auswerteketten entwickelt.
Die Computertomographie Materialprüfung kann für die Bauteilprüfung eingesetzt werden. Ein Hüllkreis beim Bauteil von bis zu 715 mm und eine Länge von bis zu 1802 mm können in einigen Fällen realisiert werden.
Die KI-gestützte Analyse liefert Ergebnisse in Sekunden oder Minuten statt in Stunden und reduziert Stillstandszeiten auf ein Minimum. Alle Prüfergebnisse können hierbei von überall über die Cloud InspectHub abgerufen werden. Für eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung stehen standardisierte Berichtsformate bereit. Die Traceability jedes Prüfvorgangs ist dabei lückenlos gewährleistet.
Wann ist zerstörende Werkstoffprüfung die richtige Wahl?
Die zerstörende Werkstoffprüfung liefert absolute Kennwerte für mechanische Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Bruchzähigkeit oder Härte. Bei diesen Prüfmethoden wird das Prüfstück einer Belastung ausgesetzt, bis es versagt. Die gewonnenen Daten bilden die Grundlage für Werkstoffspezifikationen und FEM-Simulationen. Typische Anwendung: Materialfreigabe bei neuen Lieferanten oder Legierungsänderungen.
Zerstörende Prüfverfahren umfassen mechanische Tests wie Zugversuche, Härteprüfungen und Kerbschlagbiegeversuche. Die Ergebnisse werden nach Normen wie DIN EN und ASTM und ISO dokumentiert. Der TÜV und andere akkreditierte Prüfstellen führen diese Werkstoffprüfungen durch, wobei die Kosten pro Probe zwischen 50 und 500 Euro liegen. Die Investition rechnet sich: Ein einziger Feldausfall durch mangelnde Werkstoffkennwerte kann schnell fünf- bis sechsstellige Kosten verursachen.
Was unterscheidet statische von dynamischer Materialprüfung?
Bei der statischen Materialprüfung wird ein Bauteil einer Belastung langsam und konstant ausgesetzt. Typische Beispiele sind der Zugversuch zur Ermittlung der Streckgrenze oder der Druckversuch zur Bestimmung der Druckfestigkeit. Diese statischen Verfahren liefern grundlegende Werkstoffkennwerte für die Dimensionierung. Die Verformung wird dabei kontinuierlich gemessen. Praxisrelevant: Ein Zugversuch nach DIN EN ISO dauert etwa 15 bis 30 Minuten pro Probe.
Im Gegensatz dazu simuliert die dynamische Materialprüfung reale Einsatzbedingungen mit wechselnden oder zyklisch wiederkehrenden Belastungen. Bei dynamischer Materialprüfung werden Bauteile zyklisch belastet, um das Ermüdungsverhalten zu untersuchen. Kritisch für Konstrukteure: 80 Prozent aller mechanischen Ausfälle sind auf Ermüdung zurückzuführen (P. H. Wirsching, 1995)(Agrawal, A. et al., 2014). Dynamische Tests mit 10 Millionen Lastwechseln und mehr sind daher Standard für Fahrwerksteile, Turbinenschaufeln oder Schweißverbindungen (Saravanan, V. S., 2015)(Parareda, S. et al., 2023).
Welche Werkstoffprüfverfahren für Metalle gibt es?
Die Werkstoffprüfung von Metallen umfasst eine breite Palette standardisierter Verfahren, um Materialeigenschaften, Gefüge, Festigkeit und innere Fehler sicher zu bewerten. Für die Werkstoffprüfung von Stahl und anderen metallischen Werkstoffen kommen mechanische, metallografische, chemische und zerstörungsfreie Verfahren zum Einsatz. Sie sind überwiegend nach DIN EN ISO genormt und liefern dadurch reproduzierbare und standortunabhängige Ergebnisse.
Metallografische Prüfverfahren
Metallografische Untersuchungen analysieren Gefüge, Korngrenzen, Phasen und Fehlstellen. Dazu zählen:
- Lichtmikroskopie
- Rasterelektronenmikroskopie (REM)
- Schliffpräparation und Ätztechniken
Diese Verfahren sind entscheidend für die Bewertung von Werkstoffqualität und Fertigungsprozessen.
Chemische Analyseverfahren
Für die Identifikation und Qualitätskontrolle metallischer Werkstoffe sind chemische Zusammensetzungsanalysen unverzichtbar:
- Optische Emissionsspektrometrie (OES)
- Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA/XRF)
- Verbrennungs- und Schmelzverfahren
Sie gewährleisten die Übereinstimmung mit Werkstoffspezifikationen und Normgrenzen.
Mechanische Prüfverfahren für einen Werkstoff
Mechanische Tests bestimmen zentrale Kennwerte wie Streckgrenze, Zugfestigkeit, Zähigkeit und Dauerfestigkeit. Zu den wichtigsten Verfahren gehören:
- Zugversuch (DIN EN ISO 6892) zur Bestimmung der Festigkeitseigenschaften
- Kerbschlagbiegeversuch (DIN EN ISO 148) zur Zähigkeitsbewertung
- Härteprüfung nach Rockwell (DIN EN ISO 6508), Brinell (DIN EN ISO 6506) oder Vickers (DIN EN ISO 6507); die Messdauer pro Prüfpunkt liegt in der Regel unter einer Minute
- Ermüdungs- und Dauerschwingversuche zur Bewertung der Lebensdauer unter zyklischer Belastung
Diese Prüfungen liefern belastbare Daten für Konstruktion, Qualitätssicherung und Zulassungsverfahren.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfP)
ZfP-Verfahren identifizieren innere und äußere Fehler, ohne das Bauteil zu beschädigen. Dazu zählen:
- Ultraschallprüfung (UT) für Volumenfehler und Bindefehler
- Röntgenprüfung (RT) für 2D-Analysen
- Industrielle Computertomographie (CT) für vollständige 3D-Volumenanalysen
- Farbeindringprüfung (PT) für offene Oberflächenrisse
- Wirbelstromprüfung (ET) für Risse und Leitfähigkeitsänderungen an der Oberfläche
- Magnetpulverprüfung (MT) für ferromagnetische Metalle
Prüfung von Lötverbindungen und Schweißnähten
Für Schweißnähte und Lötverbindungen werden häufig kombinierte Verfahren eingesetzt.
- Zerstörungsfreie Prüfverfahren wie Ultraschall oder industrielle CT decken innere Defekte, Poren, Bindefehler oder Risse auf
- Mechanische Prüfungen wie Zug-, Biege- oder Härteversuche bewerten die Festigkeits- und Dauerfestigkeitseigenschaften
In der Praxis bedeutet das: Fehler werden vor der Auslieferung erkannt, nicht beim Kunden. Die Auswahl des Prüfverfahrens hängt von Material, Geometrie, Normenanforderungen und dem sicherheitsrelevanten Einsatzgebiet ab.
Wie unterstützt die Werkstoffprüfung bei der Schadensanalyse?
Die Schadensanalyse ist ein kritisches Anwendungsgebiet der Werkstoffprüfung mit direktem Einfluss auf Produkthaftung und Versicherungsfragen. Wenn Bauteile im Betrieb versagen, muss die Ursache systematisch identifiziert werden. Bauteilprüfungen kombinieren zerstörungsfreie Verfahren zur Lokalisierung von Defekten mit metallografischen Untersuchungen zur Analyse des Bruchverhaltens. Die Messung von Härteverläufen und chemischen Zusammensetzungen komplettiert das Bild.
Bei der Schadensanalyse eines Bauteils kommen oft mehrere Werkstoffprüfungen zum Einsatz. Die zerstörungsfreien Methoden wie CT zeigen das Ausmaß innerer Schäden in 3D, während die zerstörenden Verfahren Aufschluss über thermischen oder chemischen Versagensmechanismen geben. Der TÜV und andere Prüfinstitute bieten akkreditierte Schadensanalysen nach internationalen Standards. Die Ergebnisse sind gerichtsfest und bilden die Basis für Regressansprüche oder Prozessoptimierungen.
Welche Normen gelten für die Werkstoffprüfung?
Die Werkstoffprüfung ist normiert, um reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten. Zentrale Normenwerke sind DIN EN ISO für europäische und internationale Standards sowie ASTM für amerikanische Vorgaben. Die Qualifikation von Personal erfolgt nach ISO 9712 mit Stufen 1, 2 und 3 je nach Verantwortungsbereich. Diese Normen definieren Prüfverfahren, Geräteanforderungen und Dokumentationspflichten.
Der TÜV spielt in Deutschland eine zentrale Rolle bei der Zertifizierung und Überwachung von Werkstoffprüfern und Prüfstellen. Akkreditierte Labore müssen ihre Kompetenz in jährlichen Audits nachweisen. Für Unternehmen bedeutet die Zusammenarbeit mit akkreditierten Dienstleistern: rechtssichere Dokumentation und Akzeptanz bei OEM-Audits.
Warum Microvista für Ihre Werkstoffprüfung?
Microvista ist spezialisiert auf industrielle CT-Prüfung mit über 15 Jahren Erfahrung in der zerstörungsfreien Prüfung. Das Leistungsspektrum reicht von der Einzelteilanalyse bis zur automatisierten Serienprüfung mit Taktzeiten die unter 60 Sekunden erreichen können. Kunden aus der Automobilindustrie, der additiven Fertigung, der Batterietechnik, der Medizintechnik, dem Maschinenbau und der Gießereiindustrie nutzen die Materialprüfung für 100-Prozent-Kontrolle sicherheitsrelevanter Bauteile. Die Kombination aus modernster CT-Technologie und KI-gestützter Auswertung reduziert die Prüfkosten pro Teil um bis zu 85 Prozent gegenüber manueller Inspektion.
Der Standort in Blankenburg (Harz) verfügt über CT-Systeme für Bauteile bis 200 kg Gewicht und 715 mm Hüllkreis sowie 1802 mm Länge. Mit dem mobilen CT-System ScanExpress kann die Werkstoffprüfung direkt vor Ort erfolgen, ohne Logistikaufwand und Transportrisiken. Die cloud-basierte Bereitstellung der Ergebnisse ermöglicht Zugriff von jedem Standort. Es ist auch möglich die automatische Auswertungssoftware InspectVista in die eigenen CT zu integrieren, um eine schnelle, automatisierte und wirtschaftliche Prüfung zu erreichen.
Zusammenfassung: Werkstoffprüfung für Qualität und Sicherheit
- Werkstoffprüfung reduziert Ausschussquoten, Garantiekosten und Feldausfälle durch systematische Qualitätskontrolle
- Zerstörungsfrei 100-Prozent-Prüfung ohne Bauteilzerstörung möglich für Serienfertigung
- Zerstörende Verfahren liefern absolute Kennwerte für Festigkeit, Härte und Bruchzähigkeit als Basis für Werkstoffspezifikationen
- Statische Prüfungen ermitteln Grundkennwerte & dynamische Tests simulieren reale Betriebsbedingungen mit zyklischer Belastung
- Normen wie DIN EN ISO und Akkreditierung durch TÜV garantieren rechtssichere und reproduzierbare Ergebnisse
- Industrielle CT revolutioniert die Prüfung: vollständige 3D-Analyse, Scanzeiten unter 60 Sekunden, automatisierte Auswertung
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