Weiterentwicklungen in der Härteprüftechnik

Die Materialprüfung einschließlich der Härteprüfung ist ein grundlegendes und nützliches Element zur Untersuchung von Bauteileigenschaften. Eine Vielzahl der unterschiedlichsten Verfahren und Techniken zur Materialanalyse stehen zur Verfügung. Die Bestimmung der Härte eröffnet wertvolle Erkenntnisse über Verhalten, Haltbarkeit, Festigkeit, Flexibilität und Fähigkeiten verschiedenster Arten von Materialien vom reinen Werkstoff über vorbereitete Proben bis zu den daraus gefertigten Produkten. Im heutigen, extrem wettbewerbsorientierten Markt mit hohen Erwartungen an Genauigkeit und Produktivität drohen schwerwiegende Konsequenzen bei Qualitäts- oder Produktivitätsabweichungen. Produktion, Forschung und Qualitätssicherung hängen heute mehr denn je in hohem Maße von neuen und weiterentwickelten Techniken ab. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, bedürfen die in die Jahre gekommenen Prozesse einer Verjüngung, Verschlankung und Unterstützung. Die sich exponentiell beschleunigenden Fortschritte bei Hardware, Elektronik, Algorithmen und Software führten zu einem Entwicklungssprung bei den Material- und Härteprüfgeräten, die schnell, zuverlässig und mit höchster Genauigkeit entscheidende Informationen über Werkstoffeigenschaften liefern.

Automatisches Verfahren und Bildanalyse

Zwei der meistverwendeten Härteprüfungen sind das Knoop- und das Vickers-Verfahren, die als Mikro- und Makroprüfung zur Bestimmung der Werkstoffhärte dienen. Ein mit definierter Prüfkraft belasteter Diamant als Eindringkörper hinterlässt einen entsprechenden Eindruck in Diamantform, dessen Größe anschließend gemessen wird. Bei diesen Verfahren wird eine relativ kleine Prüfkraft aufgebracht, so dass der entstandene Eindruck im µm-Bereich zu messen ist. Die traditionelle, noch weithin gebräuchliche Technik ist das manuelle Messen durch das Okular eines im Härteprüfer eingebauten Mikroskops. Dabei finden Mikroskope mit Objektiven unterschiedlicher Auflösung Verwendung. Dabei ist offensichtlich, dass dies ein zeitaufwändiges, subjektives und fehleranfälliges Verfahren ist. Ein Techniker führt an einem Tag üblicherweise mehrere hundert Prüfungen und Messungen durch, bei zunehmender Menge und aufkommender Müdigkeit wird die Fehlerrate ansteigen. Mit der Anforderung zur Herstellung einer vollständigen Auswertung eines Härteprüfgangs, der oftmals aus bis zu 15 Eindrücken, teilweise mehrfach auf einer einzelnen Probe, bestehen kann, entsteht der Wunsch nach einer vertrauten und gleichzeitig verbesserten Technologie. Während der letzten Jahre und weiter verstärkt in der Zukunft werden die manuellen Testverfahren den Weg frei machen für Automatisierungen in allen Bereichen der Prüfprozesse. In der Materialpräparation, bei den verfahrbaren Kreuztischen, bei der Ergebnisauswertung und auch bei der Berichtserstellung werden neue Technologien realisiert. Eine dieser Technologien, die in vielen Labors auf der ganzen Welt Verwendung findet, ist die Kreuztischverfahrautomatik und die erfassende Bildauswertung von Knoop- und Vickers-Eindrücken.

Ein automatisches Knoop- oder Vickers-System besteht in der Regel aus einer vollständig steuerbaren Prüfmaschine mit Revolver sowie einem Antrieb für die Z-Achse, über den das Anbringen des Eindrucks sowie das automatische Scharfstellen auf die Probe realisiert werden. Durch Hinzufügen eines Standardcomputers mit passender Härteprüfsoftware, eines motorisierten, automatisch in X- und Y-Achsenrichtung verfahrbaren Kreuztischs sowie einer Videokamera mit USB-Schnittstelle erhält man eine leistungsfähige, voll automatisierte Härteprüfmaschine, die nach der Bestückung mit Proben und der Abspeicherung eines Programms völlig selbständig in der Lage ist, eine nahezu beliebige Anzahl von Prüfzyklen einschließlich Messungen und Berichterstellungen abzuarbeiten.

Die neue Technologie macht einen Großteil der bisher notwendigen Mechanik überflüssig, die allein durch ihren Platzbedarf eine betriebliche Herausforderung darstellte. Die Bewegung des Kreuztisches erfolgt über einen virtuellen Joystick, und bei einigen Geräten sind die Steuerungen für den Kreuztisch in das Gehäuse integriert. Fortschritte bei den Algorithmen und der mechanischen Konstruktion der verfahrbaren Kreuztische verbesserten die XY-Genauigkeit und die Wiederholbarkeit auf nie dagewesene Werte, sodass überragend genaue Verfahranforderungen erfüllt werden, wie sie bei der Eindringtiefenauswertung erforderlich sind. Wenn auch Bildauswertungsverfahren und automatisch verfahrbare Kreuztische nicht mehr ganz neue Entwicklungen im Härteprüfwesen markieren, so schreitet die Entwicklung doch unaufhaltsam voran und wird zu weiteren Verbesserungen für die Prüfverfahren führen. Die Kameratechnologie hat sich vom einfachen Frame-Grabber über IEEE-Firewire bis hin zu USB weiterentwickelt. Dabei ist nicht nur zusätzliche Hardware entfallen, mit den neuen Technologien stehen jetzt auch neue Möglichkeiten bei Auflösung und Sichtfeld zur Verfügung- Diese Fähigkeiten der aktuellen und kommenden Kameragenerationen haben in Verbindung mit der Rechenleistung moderner PCs und der Softwarefunktionen zu erheblichen Verbesserungen bei Genauigkeit, Wiederholbarkeit, und Zuverlässigkeit der automatischen Eindruckmessung geführt. Aus der Vergangenheit bekannte Probleme hinsichtlich Oberflächenbeschaffenheit, Beleuchtung, Voreinstellung der Kalibrierung, Schwellenwerte und Pixelgrößen wurden weitgehend abgestellt und werden weiter verbessert. Das Ergebnis ist eine verbesserte Möglichkeit und Verlässlichkeit, „Routinearbeiten dem Gerät zu überlassen“, um den Durchsatz und die Konsistenz zu steigern, vor allem aber um dem Bediener mehr Freiräume für andere Aufgaben zu schaffen. Eine weitere Möglichkeit zur Produktivitätssteigerung besteht im Einsatz größerer XY-Kreuztische, die 2, 4 oder sogar 6 Prüflose gleichzeitig aufnehmen können und sich mit den verschiedensten Spannzeugen ausrüsten lassen. Vorprogrammierte und gespeicherte Prüfläufe werden geöffnet, die Proben in den Aufnahmen ausgerichtet, und schon können mit einem einfachen Mausklick Eindruck, Messung und Berichtserstellung für eine Vielzahl von Prüfläufen über jede Probe gestartet werden. Der Autofokus sorgt für eine gleichbleibende Klarheit des Eindrucks, die sonst durch Unterschiede in der Z-Position problematisch sein kann. Modernere Software ermöglicht sogar verschiedene Skalen, Kräfte und Mikroskopobjektive innerhalb eines Prüflaufs oder in verschiedenen Prüfläufen. Automatisierte Prüfungen entfalten ihre Vorteile auch zunehmend in Rockwell-Härteprüfungsanwendungen, insbesondere bei repetitiven Mustern wie bei der Jominy-Prüfung, wo nach einem Mausklick eine Reihe von Stäben ohne weiteren Bedienereingriff geprüft werden kann.