Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Physiker der TU München weisen gefährliche innere Spannungen in großen Verdichtern nach

nächste Meldung

Bricht ein Verdichterrad infolge Materialermüdung, kann dies die gesamte Turbine zerstören. Für die Hersteller ist es daher von großem Interesse, Belastungsgrenzen von Bauteilen voraus berechnen zu können.

Allerdings müssen die Ergebnisse solcher Berechnungen auch in der Realität geprüft werden. Ein solches Prüfverfahren haben nun Physiker an der Forschungsneutronenquelle FRM II der TU München entwickelt. Mit ihrem Instrument STRESS-SPEC können sie auch tief in großen Bauteilen versteckte, innere Spannungen nachweisen.

Auf der Suche nach wirtschaftlichen und Energie effizienten Werkstoffen, Designs und Verfahren entwickeln Wissenschaft und Technik immer bessere Materialien und Hochleistungskomponenten. Auch die Leistungspotenziale bereits im Einsatz befindlicher Materialien werden weiter ausgereizt. Die direkte, zerstörungsfreie Untersuchung der bei Herstellung und Weiterverarbeitung entstehenden inneren Strukturen ist dabei von entscheidender Bedeutung. "Viele Methoden der Materialforschung schauen nur auf die Oberfläche," sagt Winfried Petry, wissenschaftlicher Direktor der Neutronenquelle FRM II der TU München. "Mit der Neutronenstreuung haben wir ein Instrument, auch tief ins Innere von Materialien zu schauen. Die daraus erwachsenden Erkenntnisse sind von enormer wirtschaftlicher Bedeutung."

Ausgangspunkt der Untersuchung von Verdichtern war ein Streit zwischen Theoretikern und Ingenieuren: Ein Turbinenhersteller hatte die mathematische Modellierung des Herstellungsprozesses für große Verdichterräder in Auftrag gegeben. Diese werden aus einem fast 300 kg schweren Metallrohling heraus gefräst. Bei ihrer Simulation fiel den Theoretikern auf, dass der Herstellungsprozess im Inneren des Blocks erhebliche mechanische Spannungen verursachen müsste. Solche inneren Spannungen können zu Materialermüdung und Rissbildung führen, dem vorzeitigen Ende des Bauteils. Die Ingenieure glaubten nicht an die Existenz solcher Spannungen. Leider gab es keine Methode, mit der der Streit hätte entschieden werden können - bis das Unternehmen auf das Untersuchungsinstrument STRESS-SPEC des FRM II aufmerksam wurde.

Für die Wissenschaftler des FRM II stellte der Auftrag eine erhebliche Herausforderung dar: Nie zuvor war ein so großes Bauteil vermessen worden. Der Messplatz musste extra umgebaut werden, um ein so großes Bauteil vor dem Neutronenstrahl auf den Mikrometer exakt positionieren und für Messreihen definiert verschieben zu können. Doch dann konnte Michael Hofmann, Physiker der TU München und Leiter des Instruments STRESS-SPEC, mit seinem Team den Streit schnell beenden: Eindeutig zeigten die Messungen, dass im Inneren des Bauteils erhebliche mechanische Spannungen vorhanden waren. Die Theoretiker hatten also Recht gehabt. Nun sind die Ingenieure dabei, den Herstellungsprozess so verändern, dass keine oder nur minimale Spannungen entstehen. Dies erhöht die Lebensdauer des Bauteils und damit die Wirtschaftlichkeit weil die Intervalle zwischen den kostenintensiven Wartungspausen verlängert werden können.

Die Neutronenstrahl-Experimente der Physiker haben aber noch einen viel weiter reichenden Effekt: Mit ihren Messungen bestätigen sie die Modelle der Materialwissenschaftler. Diese können ihre Methoden mit den Messdaten nun weiter verfeinern und auf andere Werkstücke und Materialien übertragen. "Wir betreiben hier hoch aktuelle Grundlagenforschung," bestätigt Michael Hofmann. "Wenn die Modelle sehr realitätsnah sind, dann spart die computergestützte Materialwissenschaft massiv Entwicklungskosten ein, denn am Computer-Modell können viele Variationen in kurzer Zeit durchgespielt werden. Den Realitätstest liefern wir mit unserem Neutronen-Diffraktometer STRESS-SPEC."

Nur mit Neutronen können die Wissenschaftler die Spannungen tief im Inneren massiver Bauteile aufspüren: Da sie nicht elektrisch geladen sind, fliegen die Winzlinge durch viele Materialien so ungehindert hindurch, wie Lichtteilchen durch Glas. Nur ab und zu stößt ein Neutron mit einem Atomkern des Materials zusammen, verliert etwas Energie und wird aus der Bahn geworfen. Die Richtungsänderung und der Energieverlust sagen viel über den Unfallgegner und die nähere Umgebung des Unfallortes aus. Spannungen verraten sich dadurch, dass die Atome um einen kleinen Betrag aus ihrer Idealposition heraus gezogen sind. "Mit unserer Messgenauigkeit sind wir hier schon im Picometer-Bereich, also noch mal um einen Faktor 1000 kleiner als ein Nanometer," erläutert Prof. Winfried Petry, wissenschaftlicher Direktor der Neutronenquelle.

Dr. Ulrich Marsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.frm2.tum.de

nächste Meldung

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...