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E1 - Bauteiloberflächen und -randzonen mit gentelligenten Eigenschaften

Markierungsfreie Bauteilidentifikation

Das Teilprojekt E1 hebt die Trennung zwischen Bauteil und zugehörigem Informationsträger auf. Hierzu werden zum einen Randzoneninformationen genutzt, um auf die Belastungshistorie eines Bauteils zu schließen. Zum anderen werden die stochastischen und damit einzigartigen Anteile einer allgemein spanend bearbeiteten Bauteiloberfläche zum Plagiatsschutz verwendet.

Bild 1: Bauteillebenszyklus von der Fertigung in die Nutzungsphase

Ein am TNT verfolgter Forschungsschwerpunkt ist der passive Plagiatsschutz von Bauteilen mit allgemein spanend gefertigter Oberfläche. Durch die mathematische Echtzeitverarbeitung optisch erfasster Oberflächen können Bauteilen, die den gleichen Herstellungsprozess durchlaufen haben, unterschieden werden. Im Schleifprozess beispielsweise kommt es durch Kornverschleiß und -ausbruch zu einer sich ständig ändernden Werkzeuggestalt, die folglich individuelle Bauteiloberflächen erzeugt. Bei der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide kommt es durch Werkzeugverschleiß und teilweise ungünstige Spanbildung zu stochastischen Oberflächeneffekten, die ebenfalls zur Identifikation genutzt werden können. Bilder und Abtastungen der Bauteiloberfläche werden über eine kontinuierliche Wavelet Transformation verarbeitet, die um eine Detektion individueller Merkmale erweitert wurde (Bild 2). Die Identifikationsmerkmale sind hier als Kreuze dargestellt. Anzahl sowie Konstellation der Kreuze ergeben einen individuellen Fingerabdruck für jedes einzelne Bauteil. Der Fingerabdruck wird in einer Datenbank mit relevanten Bauteilinformationen abgespeichert und kann jederzeit zum Plagiatsabgleich herangezogen werden (Falsch-Positiv-Rate < 10-20).
 

Bild 2: Individueller Fingerabdruck zur Bauteilidentifikation

Die Belastungen eines Bauteils werden üblicherweise über aufwendige Sensorik während der Nutzungsphase erfasst. Am IFW wurde eine Methodik entwickelt, mit der während der Wartung Rückschlüsse auf die ertragenen Lasten der Komponente gezogen werden können. Dafür wird die Veränderung der oberflächennahen Eigenspannungen durch die Belastung verwendet. Der Eigenspannungsgrundzustand wird im Zerspanungsprozess gezielt eingebracht und anschließend für das Bauteil in einer Datenbank hinterlegt. Bei Werkstoffen mit geringer Zugfestigkeit (<1500 MPa )bauen sich die Eigenspannungen je nach Belastungsniveau und Anzahl der Lastwechsel unterschiedlich ab und lassen Rückschlüsse auf die Belastungshistorie zu. Bild 1 zeigt den Weg eines Bauteils von der Herstellung in die Nutzungsphase. In der Nutzungsphase existieren Wartungsintervalle, die dazu genutzt werden können, auf die ertragenen Lasten zurück zuschließen. Ergebnis der Rechnung sind mögliche Belastungsfälle, die sich aus Belastungshöhe und -häufigkeit zusammensetzen. Es ist also möglich, durch die Nutzung inhärenter Werkstoffeigenschaften auf Belastungsinformationen zu schließen und in einem weiteren Schritt die Restlebensdauer des Bauteils abzuschätzen.