Digitale Technologien in der Härteprüfung

Sep 26, 2023

Bildquelle: Bühler

Bei der Härteprüfung handelt es sich um einen einfachen mechanischen Test, der entwickelt wurde, um schnell und effizient eine quantitative Messung durchzuführen. Die Härteprüfung wird anstelle anderer Techniken wie der Zugprüfung eingesetzt, da sie mit der Zugfestigkeit korreliert werden kann, aber deutlich weniger Zeit und Mühe erfordert und vergleichsweise zerstörungsfrei ist.

Als Wilson zu Beginn des 20. Jahrhunderts erstmals den Rockwell-Test entwickelte, führte die Geschwindigkeit der Tests zu einer raschen Einführung der Technik und unterstützte das Wachstum der Produktionslinienfertigung sowie die Produktion großer Mengen von Komponenten, die damals für die Kriegsanstrengungen benötigt wurden. Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Arten von Härteprüftechniken entwickelt. Die häufigsten Beispiele sind die Rockwell-, Vickers-, Knoop- und Brinell-Prüfung. Jedes hat seine einzigartigen Vorteile und Einschränkungen, aber jedes hat sich aufgrund der Geschwindigkeit, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Tests seinen Platz in der heutigen Qualitätskontrollumgebung verdient.

Das digitale Zeitalter hat bereits viele Veränderungen in der Härteprüftechnik mit sich gebracht. Wägezellen haben Gewichte weitgehend ersetzt. Mechanische Steuerungen werden heutzutage häufig motorisch angetrieben. Visuelle Messungen von Eindrücken werden – sofern erforderlich – automatisch lokalisiert, fokussiert und ohne menschliches Eingreifen gemessen.

Abbildung 1: Rockwell-Härteprüfgerät aus dem frühen 20. Jahrhundert. Bildquelle: Buehler (Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern.)

Die Hinzufügung der Automatisierung in diesen Bereichen hat sowohl die Wiederholbarkeit als auch die Reproduzierbarkeit einzelner Härteeindrücke auf ein neues Niveau gehoben, wodurch Designgrenzen verschoben und die Fertigungsqualität genauer kontrolliert werden können. Ein weiterer Aspekt des digitalen Zeitalters war die Einführung der automatisierten Platzierung von Härteeindrücken. Dies wurde ursprünglich durch bestimmte Anwendungen vorangetrieben, wie etwa die Oberflächenwärmebehandlung von Zahnrädern, bei denen eine Kombination aus einer harten Oberflächenschicht und einer weichen Innenstruktur dafür sorgt, dass die Zahnradkomponenten sowohl Verschleiß als auch hohen Belastungen und Ermüdungserscheinungen im Betrieb standhalten. Mit der Computerisierung wurde die Automatisierung der Bewegung eines Prüfkörpers eingeführt, um die sich ändernde Härte schneller beurteilen zu können und sicherzustellen, dass durch den Wärmebehandlungsprozess eine ausreichende Härtetiefe erreicht wird.

Abbildung 2 – Vickers-Einzug mit Filar-Linien. Bildquelle: Buehler (Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern.)

Abbildung 3 – Messung der Gehäusetiefe. Bildquelle: Buehler (Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern.)

Wie schon immer gilt: Neue Technologien eröffnen neue Möglichkeiten. Die moderne Computersteuerung von Härteprüfgeräten geht weit über das Erstellen einer einzigen Eindrücklinie hinaus.

Die besten Softwarepakete können viele Tools zum Hervorheben potenzieller Testprobleme und/oder zur Anpassung von Testprogrammen an verschiedene zu testende Komponenten bereitstellen. Funktionen wie die Fähigkeit, Kanten von Teststücken automatisch zu finden, einen interessierenden Bereich zu scannen, Einkerbungsmuster an der richtigen Stelle auszurichten, die Platzierung zu überprüfen und im Handumdrehen anzupassen, sorgen für Benutzerfreundlichkeit und Vielseitigkeit bei der Anpassung an sich ändernde Anforderungen ohne großen Aufwand der Betreiber.

Es ist jetzt möglich, eine Probe zu „scannen“ und eine Collage aus Eindrücken zu erstellen, um eine Fülle von Details zu Materialhärteschwankungen bereitzustellen. Die erstellte Härtekarte verleiht allen Testdaten im wahrsten Sinne des Wortes eine neue Dimension und ermöglicht eine schnelle qualitative Beurteilung des Wärmebehandlungsprozesses. Die detaillierten quantitativen Daten stehen zur Verfügung, wenn eine genauere Prüfung erforderlich ist. Abbildung 4 zeigt die Härtekartierung eines Zahnradzahns, sodass wir sofort die Eindringtiefe der Härte erkennen und etwaige Probleme visualisieren können. Dies ist in einer Qualitätskontrollumgebung möglicherweise nicht immer notwendig, aber für die Entwicklung, Fehleranalyse, die Einrichtung eines neuen Herstellungsprozesses oder für die Qualitätskontrolle höchster Spezifikationen kann diese Art der Analyse von unschätzbarem Wert sein. Die Möglichkeit, die Härtekarte anzuzeigen, maximale und minimale Härtewerte festzulegen und anomale Eindrücke schnell zu erkennen, macht diese Programme äußerst benutzerfreundlich. Andere Tools helfen Benutzern bei der Einhaltung der ASTM- und ISO-Spezifikationen. Beispielsweise ermöglicht die virtuelle Überlagerung der Einzugsgröße einem Benutzer, die Einhaltung des Mindesteinzugsabstands einfach zu beurteilen.

Abbildung 4: Härtekartierung an einem Zahnradzahn (a) 2d und (b) 3d. Bildquelle: Buehler (Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern.)

Abbildung 5: Beispiel für die Platzierung von Härteeindrücken an einer Schweißnaht gemäß ISO 9015. Bildquelle: Buehler (Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern.)

Diese neuen Funktionen bieten nicht nur Verbesserungen in unserem Verständnis traditioneller Anwendungen wie dieser, sondern öffnen auch die Tür zu völlig neuen Analysebereichen für eine Vielzahl von Anwendungen. Ein solcher Anwendungsbereich sind Fügetechnologien. Es gibt eine Vielzahl von Methoden zum Verbinden von Materialien – viele davon können bei qualitätskritischen Komponenten eingesetzt werden. Eine der bekanntesten und am weitesten verbreiteten Verbindungstechnologien ist das Schweißen. Bei der typischen Qualitätskontrolle werden in bestimmten Bereichen der Schweißnaht kurze Einkerbungslinien angebracht, um Prozessprobleme zu erkennen. Der Zeitaufwand für die manuelle Erstellung mehrerer Einzüge kann unerschwinglich sein, weshalb die Platzierung von Einzügen auf wenige Zeilen in strategischen Bereichen beschränkt ist.

Abbildung 6: Härtekartierung entlang einer Schweißnaht. Bildquelle: Buehler (Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern.)

Moderne Software kann den Benutzer beim Erstellen und Platzieren dieser Einrückungen unterstützen, die Werte werden dann jedoch in der Regel als Tabellen oder Diagramme überprüft und lassen sich kaum auf die Komponente zurückführen. Dies kann die Möglichkeit offen lassen, ein Problem zu übersehen. Die automatisierte Kartierung des gesamten Schweißbereichs kann tatsächlich die Zeit reduzieren, die ein Bediener für die Einrichtung von Tests benötigt. Einrückungen können den gesamten interessierenden Bereich abdecken, sodass die Wahrscheinlichkeit, einen Fehler zu übersehen, praktisch gleich Null ist. Hunderte von Eindrücken können schnell platziert werden – bei Bedarf auch Tausende – und alle können ohne Bedienereingriff erstellt und gemessen werden. Eine schnelle Überprüfung der farbcodierten Karte kann dem Bediener dabei helfen, schnell Bereiche zu identifizieren, die er weiter untersuchen muss.

Alle diese Funktionen zusammen ermöglichen uns auch die Bewältigung komplexerer Anwendungen. Eine solche Anwendung sind selbststanzende Nieten (SPR). Diese Technik ermöglicht das Zusammenfügen von Materialbahnen mit nur einseitigem Zugang, was einige erhebliche Vorteile bei der Fertigungseffizienz mit sich bringt. Bei dieser Technik werden das Befestigungselement und die Plattenmaterialien sehr präzise verformt, sodass sie miteinander verriegeln. Wenn das Material verformt wird, ändert sich typischerweise die Härte und kann zur Charakterisierung der Verbindung verwendet werden. Durch die automatisierte Bereichsidentifikation, Platzierung, Einkerbung, Messung und Kartierung kann die Verbindung schnell und effektiv charakterisiert werden.

Abbildung 7: Stanznieten. Bildquelle: Buehler (Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern.)

Abbildung 8: Härtekarte einer selbststanzenden Niete. Bildquelle: Buehler (Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern.)

Jetzt betreten wir die Welt der drei Dimensionen in der Fertigung. Additive Fertigung bzw. 3D-Druck entwickelt sich in nahezu allen Fertigungsbereichen als Produktionstechnik der Zukunft. Aufgrund der Natur des Prozesses ist auch die Qualitätskontrolle ein dreidimensionales Problem. Die Materialeigenschaften können sich beim Aufbau des Teils von Bereich zu Bereich ändern, weshalb die Charakterisierung eines Bereichs viel wichtiger wird. Die Härtekartierung hat sich als wertvolles Werkzeug bei der Analyse additiv gefertigter Proben erwiesen. Abbildung 9 zeigt die Änderung der Eigenschaften eines solchen Teils. Beim Aufbau der Probe ist ein sichtbarer Unterschied zu erkennen.

Abbildung 9: Härtekarte eines additiv gefertigten Bauteils entlang der Baurichtung. Bildquelle: Buehler (Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern.)

Der Grad der Automatisierung und Funktionalität moderner Härteprüfsysteme eröffnet uns neue Möglichkeiten bei der Messung von Probeneigenschaften, die noch vor wenigen Jahren unerreichbar waren. Dieselben Werkzeuge haben die Benutzerfreundlichkeit, Effizienz, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit verbessert und die Tür zu neuen Ebenen der Qualitätskontrolle geöffnet.

Doug Ngai ist Anwendungsingenieur bei Buehler, einem ITW-Unternehmen. Für weitere Informationen rufen Sie (847) 295-6500 an, senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie www.buehler.com.