Prüfverfahren spielen in nahezu allen Fertigungsprozessen eine entscheidende Rolle. Sie stellen sicher, dass die Qualität des Endprodukts den Konstruktionsvorgaben entspricht und die Anforderungen der vorgesehenen Einsatzumgebung erfüllt werden.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, Prüfverfahren zu klassifizieren. Eine der gängigsten Unterteilungen ist die in zerstörende und zerstörungsfreie Prüfverfahren.
In diesem Artikel werfen wir einen detaillierten Blick auf die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP), stellen einige ihrer gängigen Methoden vor und beleuchten ihre Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen.
Zerstörungsfreie Prüfung bezeichnet den Einsatz von Prüfverfahren, bei denen die Eigenschaften des geprüften Produkts nicht verändert werden. Zu diesen Eigenschaften zählen Festigkeit, Integrität, Aussehen, Korrosionsbeständigkeit, Leitfähigkeit, Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und mehr.
Zerstörungsfreie Prüfung ist auch unter den Begriffen zerstörungsfreie Bewertung, zerstörungsfreie Analyse, zerstörungsfreie Untersuchung oder zerstörungsfreie Inspektion bekannt.
Besteht ein Produkt die ZfP, kann es weiterhin verwendet werden – die Prüfung hat keinerlei schädliche Auswirkungen auf das Prüfstück.
Dieser Vorteil macht die zerstörungsfreie Prüfung zu einer äußerst nützlichen Methode sowohl für frisch gefertigte Produkte als auch für solche, die sich bereits im Einsatz befinden.
Bei einfachen Prüfaufgaben kann eine einzelne ZfP-Methode ausreichen. In vielen Fällen kommen jedoch Kombinationen verschiedener Techniken und Prüfverfahren zum Einsatz, um aussagekräftige Informationen über die Produkteigenschaften zu erhalten.
Zerstörungsfreie und zerstörende Prüfverfahren verfolgen ähnliche Ziele, unterscheiden sich jedoch erheblich in ihren Anwendungsbereichen und Methoden. Im Folgenden vergleichen wir sie anhand wichtiger Kriterien:
Beide Prüfarten dienen der Gewährleistung sicherer Produkte. Die zerstörende Prüfung hat jedoch das Ziel, die Belastungsgrenzen eines Produkts durch Tests wie Ermüdungs- oder Zugversuche zu ermitteln.
Mit der ZfP hingegen wird überprüft, ob ein hergestelltes oder bereits im Einsatz befindliches Produkt die Anforderungen der Einsatzumgebung erfüllt. Auch der Verschleißzustand, beispielsweise durch Ultraschall-Dickenmessung an Schiffsstahlplatten, kann so beurteilt werden.
Zerstörungsfreie Prüfung ist in zweierlei Hinsicht kosteneffizienter als zerstörende Verfahren.
Erstens bleibt das Prüfstück unbeschädigt und kann nach der Prüfung direkt weiterverwendet werden.
Zweitens ermöglicht die ZfP die frühzeitige Erkennung potenzieller Probleme an Anlagen wie z. B. Druckbehältern, sodass Bauteile rechtzeitig getauscht werden können. Dies vermeidet teure Ausfälle und reduziert die Kosten im Vergleich zu einer ungeplanten Stillsetzung.
Auch hinsichtlich des Zeitaufwands ist die ZfP vorteilhaft. Zerstörende Prüfverfahren sind in der Regel zeitintensiv, da sie meist manuell durchgeführt werden und viele Arbeitsschritte sowie längere Vorbereitungs- und Inspektionszeiten erfordern.
Die ZfP hingegen erfordert oftmals nicht einmal den Ausbau von Bauteilen, was wertvolle Zeit spart. Bei zerstörender Prüfung müssen Maschinen für die Tests stillgelegt werden, was die Produktionsausfallzeiten erhöht.
Ein in einer zerstörenden Prüfung getestetes Produkt ist anschließend nicht mehr verwendbar und muss entsorgt werden – teilweise betrifft dies sogar ganze Maschinen.
Typische zerstörende Verfahren, die zu Materialverschwendung führen, sind Zugversuche, Biegeversuche, Schlagprüfungen und Falltests.
Bei der zerstörungsfreien Prüfung ist dies nicht der Fall. Nur in Ausnahmefällen ist eine Zerstörung notwendig; meist liefern zerstörungsfreie Methoden gleichwertige oder sogar bessere Ergebnisse.
Zerstörende Prüfungen werden vor der Inbetriebnahme durchgeführt, um die Grenzen der Belastbarkeit zu bestimmen. Dies ist etwa bei persönlicher Schutzausrüstung (PSA) vorgeschrieben, aber nicht für bereits eingesetzte Produkte geeignet.
Hier bietet die ZfP entscheidende Vorteile: Sie ermöglicht die Identifikation verschlissener Bauteile, die dann rechtzeitig ersetzt werden können. So wird das Risiko von Sicherheitsvorfällen deutlich minimiert.
Beide Prüfverfahren liefern sehr zuverlässige Ergebnisse. Während bei der zerstörenden Prüfung meist nur Stichproben untersucht werden, können bei der ZfP ganze Chargen geprüft werden.
Gerade zur Erkennung von Unregelmäßigkeiten und Fehlern im Bauteil ist die ZfP oft die bessere Wahl.
Die Sichtprüfung ist das am häufigsten eingesetzte ZfP-Verfahren in allen Industriezweigen. Sie basiert auf der genauen Betrachtung des Prüfobjekts mit bloßem Auge, um sichtbare Fehler zu identifizieren.
Sie ist eine schnelle und praktikable Methode zur Qualitätsüberwachung in allen Phasen der Fertigung sowie im laufenden Betrieb.
Mit visuellen Inspektionen lassen sich Korrosion, Risse, Schweißfehler, Verformungen und mehr erkennen. Benötigt werden lediglich einfache Hilfsmittel wie Lineale, Messschieber oder Kameras.
Für schwer zugängliche oder gefährliche Bereiche kommen zunehmend Drohnen zum Einsatz.
Viele Branchen nutzen zudem KI und maschinelles Lernen, um die Ergebnisse visueller Inspektionen zu verbessern – beispielsweise bei der Wartung von Förderbändern, Rollen oder Umlenkrollen in Förderanlagen.
Die Ultraschallprüfung ist nach der Sichtprüfung die am meisten genutzte ZfP-Methode.
Hierbei wird ein hochfrequenter Schallimpuls (meist zwischen 1 und 10 MHz) durch das Prüfobjekt gesendet.
Trifft die Welle auf eine Materialdichteänderung, wird sie gestreut oder reflektiert. Diese Veränderungen werden von einem Empfänger aufgezeichnet.
Das Gerät ermittelt und analysiert die empfangene Welle, um Art und Tiefe des Fehlers zu bestimmen. Zudem kann die Bauteildicke einfach berechnet werden.
Es gibt verschiedene Ultraschallprüfverfahren, darunter Impuls-Echo-Verfahren, Immersionsprüfung, geführte Wellen und Phased-Array-Ultraschallprüfung.
Typische Fehler, die per Ultraschall erkannt werden, sind Risse, Abrieb, Wanddickenabnahme, Lochfraß und Korrosion.
Die Farbeindringprüfung ist ein weiteres verbreitetes ZfP-Verfahren zur Erkennung von Oberflächenfehlern.
Dabei dringt eine dünnflüssige Prüfflüssigkeit (Penetrant) in Oberflächenfehler wie Risse, Poren oder Lunker ein. Nach dem Entfernen überschüssigen Penetrants und einer bestimmten Einwirkzeit (Penetrationszeit) wird ein Entwickler aufgetragen, der das Eindringen des Penetrants an die Oberfläche unterstützt.
Nach einer erneuten Einwirkzeit (Entwicklungszeit) wird die Oberfläche inspiziert – bei sichtbar gefärbten Penetranten mit bloßem Auge, bei fluoreszierenden mit UV-Licht.
Erkennbare Fehler sind Oberflächenrisse, Poren, Nähte, Überlappungen und Undichtigkeiten.
Die radiographische Prüfung nutzt Strahlung zur Erkennung innerer Fehler in Bauteilen. Röntgenstrahlen sind für dünnere Materialien geeignet, Gammastrahlen für dickere.
Das Prüfstück wird zwischen Strahlenquelle und Aufzeichnungsmedium positioniert. Die durchgelassene Strahlung wird auf einen Film oder digitalen Detektor übertragen.
Durch Änderung des Strahlungswinkels kann die Form und Größe von inneren Fehlern bestimmt werden.
Erkennbare Fehler sind Risse, Wanddickenabnahme, Korrosion, Lunker, ungenügende Verschweißung, Porosität, Wurzelüberhöhung und Überlappungen.
Die Magnetpulverprüfung ist eine beliebte ZfP-Methode, da sie schnell durchführbar ist und keine Oberflächenvorbereitung erfordert.
Das Bauteil wird zwischen Permanentmagneten oder Elektromagneten platziert. Die Feldstärke beeinflusst maßgeblich das Ergebnis.
Fließt der Magnetstrom durch ein fehlerfreies Bauteil, ergibt sich ein gleichmäßiges Magnetfeld. Bei Fehlern wird das Magnetfeld unterbrochen, es entstehen Streufelder.
Zur Sichtbarmachung dieser Streufelder werden Magnetpulver verwendet, die sich an den Fehlerstellen anlagern. Fluoreszierende Pulver erhöhen die Sichtbarkeit.
Die Breite der Magnetpulveranzeige ist größer als der Fehler selbst, sodass auch kleinste Fehler mit einer Öffnungsbreite bis zu 0,001 mm und einer Tiefe von 0,01 mm erkannt werden.
Erkennbare Fehler sind Risse, Poren, Überlappungen, Einschlüsse, Nähte, Laminierungen, Schrumpfungen, Flocken, Schweißfehler, Bearbeitungsrisse sowie betriebsbedingte oder Ermüdungsrisse.
Ähnlich wie die Magnetpulverprüfung ist die Wirbelstromprüfung ein elektromagnetisches Prüfverfahren. Sie basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion.
Fließt Strom durch einen Leiter (Primärleiter), entsteht ein Magnetfeld (Primärfeld). Bringt man einen zweiten Leiter (das Prüfstück) in dieses Feld, wird ein gegengerichteter Strom, der sogenannte Wirbelstrom, induziert.
Der Wirbelstrom erzeugt wiederum ein eigenes Magnetfeld (Sekundärfeld), das das Primärfeld beeinflusst.
Verändern sich die magnetische Permeabilität oder elektrische Leitfähigkeit des Prüfstücks durch Fehler, ändert sich die Stärke des Wirbelstroms. Diese Veränderungen werden erfasst und zur Fehleranalyse ausgewertet.
Ähnliche Verfahren sind z. B. das Remote-Field-Testing, das bei der Fehlererkennung in Stahlrohren eingesetzt wird – der Hauptunterschied liegt im Abstand zwischen den Spulen.
Mit der Wirbelstromprüfung können Fehler wie Risse, Korrosion, Überlappungen, mangelnde Verschweißung, magnetische Einschlüsse, Porosität und Verschleiß erkannt werden.
Dies sind die gängigsten ZfP-Methoden in der Industrie. Darüber existieren viele weitere spezielle Verfahren, etwa Schallemissionsprüfung, Thermografie/Infrarotprüfung, Schwingungsanalyse, Leckprüfung (z. B. Massenspektrometertest), Rückprallhammerprüfung, Laserprüfung und mehr.
Die ZfP verfügt über ein breites Spektrum an praktischen Anwendungen, die sich grob in zwei Kategorien unterteilen lassen: Qualitätskontrolle und Zustandsüberwachung.
Mit zerstörungsfreien Prüfverfahren kann die Qualität von Fertigungsteilen überprüft und sichergestellt werden, dass sie den geforderten Spezifikationen entsprechen. Ebenso lässt sich der Zustand bereits im Einsatz befindlicher Bauteile beurteilen und deren weitere Betriebssicherheit sicherstellen.
Typische industrielle Anwendungsbereiche der ZfP sind:
Die ZfP ermöglicht die Überprüfung der Strukturmechanik von Produkten und Bauwerken unterschiedlichster Art. Sie erfordert minimale Eingriffe und ist sowohl für Routineinspektionen als auch für spezielle Untersuchungen geeignet, ohne bestehende Probleme zu verschärfen. Auch schwer zugängliche Bereiche können inspiziert werden.
Im Bauwesen werden mit ZfP Methoden wie die Ultraschallprüfung, Radiografie, Sichtprüfung, Schallemissionsprüfung, terrestrisches Laserscanning, Photogrammetrie, Tachymetrie und Infrarot-Thermografie eingesetzt – z. B. zur Inspektion von Fundamenten, Denkmälern, Brücken und Gebäuden.
In der Maschinenbaupraxis dient die ZfP der Prüfung von belasteten Maschinen, etwa Wellen, Turbomaschinen oder Batterien.
Mit ZfP-Methoden lassen sich unterschiedlichste Fehler im Schweißprozess identifizieren. Viele typische Schweißfehler wurden bereits in vorherigen Abschnitten aufgeführt und können zuverlässig zerstörungsfrei geprüft werden.
Zusammengefasst lassen sich mit der ZfP sowohl äußere als auch innere Schweißfehler an Metallen und Kunststoffen erkennen.
Zu den äußeren Fehlern gehören Risse, Porosität, Einbrandkerben, Unterfüllungen, Spritzer, Überlappungen, Lichtbogen-Einschläge und zu große Durchschweißungen. Innere Fehler umfassen Risse, Schlackeneinschlüsse, Wolframeinschlüsse, innere Porosität, Lunker, fehlende Durchschweißung und mangelnde Verschmelzung.
ZfP-Verfahren haben die Medizintechnik in den letzten Jahren revolutioniert. Sie ermöglichen präzise Diagnosen und Behandlungen, sowohl an der Oberfläche als auch im Inneren des Körpers.
Zu den wichtigsten Technologien, die inzwischen zum Standard gehören, zählen die Ultraschallbildgebung, Radiografie und Echokardiografie.
Auch Hersteller medizinischer Implantate setzen ZfP-Verfahren zur Prüfung auf feinste Fehler ein, um spätere Ausfälle im Betrieb zu vermeiden.
Die zerstörungsfreie Prüfung entwickelt sich rasch zur bevorzugten Methode zur Fehlererkennung in nahezu allen Disziplinen. Heute findet sie Anwendung in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Militär, Medizintechnik, Kerntechnik, Schiffbau, Energieerzeugung, Fertigung und vielen mehr.
Die wachsende Beliebtheit fördert weitere Forschungsaktivitäten, sodass bestehende Verfahren kontinuierlich verbessert und leistungsfähiger werden.
