Für jede Anwendung die richtige Materialprüfung

In den letzten Jahren stehen Werkstoffingenieure vor einer bekannten, jedoch zunehmend komplexen Herausforderung: Materialien müssen immer mehr leisten – in anspruchsvolleren Anwendungen und bei gleichzeitig geringerem Fehlertoleranzspielraum. Die Wahl eines ungeeigneten Prüfverfahrens oder die falsche Anwendung einer grundsätzlich geeigneten Prüfung kann zu irreführenden Ergebnissen, kostspieligen Neuentwicklungen und im Extremfall zu Ausfällen im realen Einsatz führen.

Die Werkstoffprüfung befindet sich an der Schnittstelle zwischen Entwicklung, Produktion und Qualitätssicherung (QS). In der Forschung und Entwicklung stützen sich Ingenieure auf Prüfungen, um das Verhalten eines Materials zu verstehen, seine Reaktion auf Belastungen zu analysieren und zu bewerten, wie sich Änderungen in Rezeptur oder Verarbeitungsprozess auf die Leistungsfähigkeit auswirken. Später, in den QS-Laboren, übernimmt die Prüfung eine Gatekeeper-Funktion: Sie bestätigt, dass jede Charge die im technischen Datenblatt zugesicherten Eigenschaften erfüllt und über die Zeit hinweg ein konsistentes Verhalten zeigt.

Herausforderungen bei der Werkstoffprüfung

Sowohl in der Forschung und Entwicklung als auch in der Qualitätssicherung spielt die Schlagprüfung häufig eine zentrale Rolle – insbesondere bei polymerbasierten Werkstoffen, die im Einsatz Stürzen oder schlagartigen Belastungen standhalten müssen. Dabei ist es jedoch entscheidend zu erkennen, dass die Schlagzähigkeit keine einzelne, universell gültige Materialkennzahl ist. Unterschiedliche Prüfverfahren erfassen unterschiedliche Aspekte des Werkstoffverhaltens, unter verschiedenen Randbedingungen und mit sehr unterschiedlichem Detaillierungsgrad.

Einfachere Methoden, wie Pendelschlagversuche, liefern einen einzelnen Kennwert, der sich leicht vergleichen lässt und sich ideal für die Hochdurchsatz-Qualitätskontrolle eignet. Anspruchsvollere Ansätze, etwa instrumentierte Fallturmprüfungen, erzeugen hingegen umfangreiche Datensätze, die aufzeigen, wie sich Kraft, Weg und Energie während des gesamten Schlagereignisses entwickeln.

Probleme entstehen, wenn Prüfverfahren aus Gewohnheit statt aus fachlicher Zielsetzung ausgewählt werden. Ingenieure wenden häufig einen vertrauten Standard an, ohne ausreichend zu hinterfragen, ob dieser das reale Anwendungsszenario, das simuliert werden soll, tatsächlich widerspiegelt. Bereits kleine Abweichungen können dabei große Auswirkungen haben. Änderungen der Probengeometrie, die Verwendung einer falschen Schlagenergie oder die Anwendung einer Norm, die für eine andere Werkstoffklasse entwickelt wurde, können die Ergebnisse erheblich verfälschen. Insbesondere bei Polymeren spielen Faktoren wie Kerbempfindlichkeit, Temperatur und Probenpräparation eine entscheidende Rolle dafür, ob sich ein Werkstoff unter Schlagbeanspruchung duktil oder spröde verhält.

Ein falsches Verständnis des Schlagverhaltens hat Konsequenzen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. So kann ein Rohstoffhersteller beispielsweise einen Schlagzähigkeitswert angeben, der sich später in der Praxis als nicht erreichbar erweist und zu Auseinandersetzungen führt. Ebenso kann ein Hersteller erst spät in der Entwicklung feststellen, dass ein Material nicht wie erwartet performt – mit der Folge kostspieliger Neuentwicklungen oder Produktionsverzögerungen. Selbst in der Qualitätssicherung können unerwartete Prüfergebnisse die Produktion vollständig zum Stillstand bringen, bis die Ursachen geklärt sind.

Fundierte Auswahl von Werkstoffprüfungen

Bei der Auswahl von Werkstoffprüfungen sollte es stets darum gehen, das für die jeweilige Aufgabe geeignete Prüfverfahren zu wählen – und nicht einfach dasjenige, mit dem man am besten vertraut ist. Prüfmethoden müssen auf Werkstofftyp, Anwendung und Entwicklungsphase abgestimmt sein. Für die routinemäßige Qualitätssicherung bleibt die Pendelschlagprüfung eine schnelle, robuste und normierte Lösung, insbesondere wenn Ergebnisse direkt mit Werten aus technischen Datenblättern verglichen werden sollen. In der Forschung und Entwicklung sowie bei anspruchsvollen Anwendungen bieten instrumentierte Prüfverfahren deutlich tiefere Einblicke, da sie es Ingenieuren ermöglichen zu verstehen, wie und warum eine Probe unter der Prüfbelastung versagt hat.

Ebenso wichtig ist alles, was vor der eigentlichen Prüfung geschieht. Die Probenpräparation – insbesondere das Anbringen von Kerben – muss mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit erfolgen. Selbst die Art der Kerberzeugung, ob durch Schneiden oder Fräsen, kann die lokalen Materialeigenschaften beeinflussen und damit letztlich das Prüfergebnis verändern.

Ein weiterer kritischer Faktor ist die Wahl der Schlagenergie. Ein zu energiereicher Hammer kann Unterschiede zwischen Materialien überdecken, während eine zu geringe Energie zu nicht aussagekräftigen oder uneindeutigen Ergebnissen führt. Da kontinuierlich neue Werkstoffe entwickelt werden, werden Ingenieure zunehmend außerhalb etablierter Normen prüfen müssen. In solchen Fällen ist es entscheidend, eine belastbare Korrelation zwischen Prüfergebnissen und dem Verhalten im realen Einsatz herzustellen. Dies erfordert eine sorgfältige Parameterauswahl, ein klares Verständnis der Grenzen des Prüfverfahrens sowie eine enge Zusammenarbeit zwischen Prüfspezialisten – wie Instron – und Materialentwicklern.

Letztlich ist die richtige Prüfung jene, die die richtige Fragestellung beantwortet. Indem Ingenieure zunächst die Endanwendung, die zu erwartenden Belastungsbedingungen und die Entscheidungen, die auf Basis der Daten getroffen werden, in den Fokus stellen, stellen sie sicher, dass die Werkstoffprüfung ein leistungsfähiges Werkzeug bleibt und nicht zu einer potenziellen Quelle von Unsicherheit wird.