Ohne Berührung: Mit dem Laser die Oberflächenhärte von Materialien messen
Ein Forscherteam der Hochschule Koblenz hat ein innovatives Verfahren für die Materialprüfung entwickelt. Sie setzen auf einen Laser, mit dem sich die Härte von Metallen oder Kunststoffen messen lässt. Das Besondere daran: Es funktioniert berührungslos und verspricht präzise sowie schnelle Ergebnisse bei minimaler Materialbelastung.
Das Laseroptische Verfahren ist vielseitig einsetzbar. Bei der Erforschung von Kristallen liefert es schon wertvolle Ergebnisse. Nun könnte es auch bei der Härtemessung etablierte Verfahren ablösen.
Foto: Panthermedia.net/FranzGustincich
Bei bestimmten Materialien ist es besonders relevant, diese auf ihren Härtegrad zu prüfen. Das betrifft vor allem metallische Werkstoffe sowie Elastomere und Kunststoffe unterschiedlicher Art. Härte definieren Fachleute als den Widerstand, den ein fester Gegenstand gegen das Eindringen eines anderen härteren Materials aufbringt. Die Messung der Härte an sich ist ein recht altes Verfahren. Zu den bekannten Methoden gehören die nach Brinell, Vickers oder Rockwell. Diese sind etabliert und zuverlässig, haben aber einen entscheidenden Nachteil: Bei allen drei Methoden dringt ein Körper in die Materialien ein, deren Härte gemessen werden soll.
Keramik in der Industrie: Alles eine Frage der richtigen Härte?
Forschende der Hochschule Koblenz haben nun ein neues Verfahren entwickelt. Es markiert einen bedeutenden Fortschritt gegenüber den traditionellen Prüfverfahren, da es die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) nutzt. Diese Technologie ermöglicht nicht nur eine berührungslose Analyse, sondern steht auch für hohe Präzision. Da sich der Laserstrahl extrem gut fokussieren lässt, sind auch Messungen im Mikrobereich möglich. Auf diese Art und Weise lassen sich un selbst kleinste Materialabschnitte mit bisher unerreichter Genauigkeit untersuchen. „Mit unserem automatisierten ortsaufgelösten ‚Härtescanverfahren mittels LIBS‘ können zukünftig Härteprüfungen von Stahlbauteilen deutlich vereinfacht, beschleunigt und präzisiert werden“, erklärt Georg Ankerhold, Leiter der Forschungsgruppe „Laser Spectroscopy and Photonics“ an der Hochschule Koblenz.
Forschende prüften die neue Lasertechnologie zur Härtemessung umfangreich
Die Entwicklung dieser innovativen Härtemessung entstand durch intensive Zusammenarbeit verschiedener Fachbereiche. Unter der Leitung von Georg Ankerhold und Peter Kohns, Experte für Mathematik, Optikrechnen und Lasermaterialbearbeitung an der Hochschule Koblenz, wurde das Projekt im Rahmen des Forschungsschwerpunkts „Analytische Bildgebung“ realisiert. Das Team der beiden Fachleute unternahm umfangreiche Tests, vor allem Vergleichsmessungen mit den etablierten Prüfverfahren. Damit konnte es nachweisen, dass ihr neues Verfahren ebenso leistungsfähig ist.
Die Tests führten die Forschenden im Werkstoffprüflabor von Robert Pandorf, Professor für Werkstoffkunde an der Hochschule Koblenz, durch. Dank dieser standortübergreifenden Kooperation waren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Lage, ihre neue Technologie im direkten Vergleich zu etablierten Methoden umfassend zu bewerten.
Präzise Materialanalyse durch laseroptisches Verfahren
Ein besonderer Durchbruch gelang dem Team bei der ortsaufgelösten, bildgebenden Analyse von Materialproben mit unterschiedlichen Härtegraden. Die neue Methode zur Härtemessung ermöglicht erstmals, Härteverläufe auf wärmebehandelten Stahloberflächen optisch darzustellen. Die Unterscheidung zwischen verschiedenen Härtegraden basiert dabei auf der spektralen Analyse des entstehenden Plasmalichts, was eine detaillierte Kartierung der Materialeigenschaften ermöglicht.
Mit ihrem neuen Verfahren haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Methode entwickelt, deren praktische Anwendungsmöglichkeiten vielfältig sind. Die Härtemessung mittels Lasertechnologie eignet sich besonders für die Qualitätskontrolle von partiell gehärteten Stahlprodukten wie Zahnrädern. Das Verfahren identifiziert präzise Härteübergänge und lokalisiert unerwünschte weiche Stellen, was für die Sicherheit und Langlebigkeit der geprüften Bauteile von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus werden mit dieser neuen Methode die Beschädigungen am Prüfobjekt minimiert. Schließlich dringen keine Fremdkörper mehr in diese Objekte ein, damit Messungen funktionieren. Es spielt sich alles an der Oberfläche ab.
Zukunftsperspektiven der berührungslosen Materialprüfung
Die Forschungsgruppe beschäftigt sich bereits mit der Weiterentwicklung des Systems. Im Mittelpunkt dabei stehen zusätzliche Materialien und Anwendungen. Das Team hat erkannt, dass ihr Verfahren der berührungslosen Härtemessung besonders bei empfindlichen oder spröden Werkstoffen erhebliche Vorteile bietet. Deshalb arbeiten die Forschenden bereits an der Ausweitung der Technologie auf Keramik und biologische Materialien, was das enorme Potenzial dieser innovativen Prüfmethode für verschiedenste Anwendungsgebiete verdeutlicht. Weitere Forschungsprojekte sind also bereits geplant. Wichtig ist den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern darüber hinaus, die interdisziplinäre Zusammenarbeit im Rahmen ihrer Forschungsarbeit zu betonen.
Das Team hat die eigenen Forschungsergebnisse bereits der Fachwelt vorgestellt – auf der Tagung „International Meeting on Laser-Induced Breakdown Spectroscopy“ (LIBS 2024) in Argentinien. Danach folgte jüngst noch die Veröffentlichung in der „Spectrochimica Acta“, einem Journal mit internationalem Renommee.
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