Die Prüftechnik umfasst die planmäßige Untersuchung von Werkstoffen, Bauteilen und Proben hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, mechanischen Eigenschaften und inneren Beschaffenheit. Zu den typischen Prüfobjekten zählen metallische Halbzeuge, Schweißnähte, Gussstücke, Kunststoffe sowie Rohre und Bleche verschiedener Fertigungsstufen. Der nachfolgende Text beschreibt die wesentlichen Verfahren und Abläufe der Prüftechnik in der industriellen Praxis: Er erläutert die Prüfplanung und Probenahme, stellt zerstörende und zerstörungsfreie Prüfverfahren gegenüber, behandelt die Messtechnik einschließlich Spektralanalyse, Ultraschall und Zugprüfung sowie die Beurteilung von Wiederholpräzision, Kalibrierung und Messunsicherheit. Abschließend werden Abnahmekriterien nach DIN-EN-ISO-Normen im industriellen Einsatz beleuchtet. Damit lässt sich nachvollziehen, wie eine Prüfkette von der Probenahme bis zur Konformitätsbewertung aufgebaut ist.
Überblick und Prüfobjekte
Die Prüftechnik gliedert sich in die Analyse der chemischen Zusammensetzung, die Ermittlung mechanischer Kennwerte und die Suche nach inneren sowie oberflächlichen Fehlern. Prüfobjekte sind überwiegend metallische Werkstoffe wie Stähle, Aluminium- und Kupferlegierungen, ferner Schweißverbindungen, Gussbauteile, Schmiedeteile und Walzerzeugnisse. Auch Kunststoffe, Keramiken und Verbundwerkstoffe fallen in den Anwendungsbereich, wenn Materialkennwerte oder Verarbeitungsfehler nachzuweisen sind. Für jedes Prüfobjekt ist zunächst der Prüfumfang festzulegen: welche Werkstoffkennwerte dokumentiert werden müssen, welche Fehlertypen auszuschließen sind und welches Verfahren sich dafür eignet. Diese Festlegung erfolgt in Abstimmung mit dem Auftraggeber, den Zeichnungsangaben und den anzuwendenden Liefernormen. Eine klare Objektbeschreibung mit Werkstoffbezeichnung, Charge, Wärmebehandlungszustand und Entnahmeposition ist Voraussetzung für eine reproduzierbare Prüfung und für die spätere Vergleichbarkeit der Ergebnisse über mehrere Lieferlose hinweg.
Prüfplanung und Probenahme
Vor jeder Untersuchung steht ein Prüfplan, der Prüfauftrag, Prüfmethode, Probenanzahl und Beurteilungsregeln festlegt. Die Probenahme richtet sich nach den Vorgaben der jeweiligen Produktnorm; maßgebend sind Repräsentativität, Kennzeichnung und Rückverfolgbarkeit der Einzelprobe. Metallische Proben für die Spektralanalyse werden durch Sägen, Trennschleifen oder Stanzen entnommen und anschließend geschliffen, damit eine oxidefreie, ebene Anregungsfläche entsteht. Für die Zugprüfung werden Proportionalstäbe nach DIN EN ISO 6892-1 gefertigt, deren Maße und Formzahlwerkstoffe den Normangaben entsprechen müssen. Bei der Probenahme ist darauf zu achten, dass der Entnahmevorgang selbst das Gefüge nicht verändert: Erwärmung durch Trennen, Kaltverformung oder Spannungen können Prüfergebnisse verfälschen. Jede Probe erhält eine eindeutige Kennung, die neben der Chargennummer auch Entnahmeort und Entnahmezeitpunkt dokumentiert, so dass später jede Messung dem Ausgangsmaterial zugeordnet werden kann.
Zerstörende
und zerstörungsfreie Prüfverfahren
Zerstörende Prüfverfahren beanspruchen oder zerstören die Probe und liefern direkte Kennwerte der Werkstoffeigenschaften. Dazu gehören die Zugprüfung, die Härteprüfung nach Brinell, Vickers oder Rockwell, die Kerbschlagbiegeprüfung, metallographische Gefügeuntersuchungen sowie die chemische Analyse an abgetrennten Spänen. Zerstörungsfreie Prüfverfahren untersuchen dagegen das Bauteil ohne Beeinträchtigung seiner Gebrauchsfähigkeit und eignen sich für eine hundertprozentige Kontrolle im Fertigungsfluss. Zu den etablierten Methoden zählen die Ultraschallprüfung auf innere Ungänzen, die Durchstrahlungsprüfung auf Volumenfehler, die Magnetpulverprüfung auf oberflächennahe Risse ferromagnetischer Werkstoffe, die Eindringprüfung auf oberflächliche Risse beliebiger Werkstoffe sowie die Wirbelstromprüfung auf Gefüge- und Leitfähigkeitsunterschiede. Die Wahl des Verfahrens hängt vom Fehlerbild, der Werkstoffgruppe, der Geometrie und der geforderten Nachweisgrenze ab. Häufig werden beide Gruppen kombiniert: zerstörungsfrei am Bauteil, zerstörend an entnommenen Proben derselben Charge.
Messtechnik
und Prüfparameter — Spektralanalyse, Ultraschall, Zugprüfung
Die optische Emissionsspektrometrie (funkenemissions-spektralanalyse) bestimmt die chemische Zusammensetzung metallischer Proben innerhalb weniger Minuten. Die Probe wird durch einen Funkenlichtbogen abgetragen; die charakteristischen Spektrallinien der Elemente werden über ein Polychromator-System erfasst und in Massengehalte umgerechnet. Prüfparameter sind die Anregungsbedingungen, die Spülung mit Argon sowie die Anzahl der Einzelmessungen je Probe. In der Ultraschallprüfung sendet ein Prüfkopf Impulse ins Bauteil; reflektierte Echos von Trennungen, Einschlüssen oder dem Rückwand werden nach Laufzeit und Amplitude ausgewertet. Einstellbar sind Prüffrequenz, Winkel der Schallkeule und Empfindlichkeit, kalibriert an Referenzkörpern mit künstlichen Fehlern. Bei der Zugprüfung nach DIN EN ISO 6892-1 wird der Proportionalstab bis zum Bruch belastet; aus Kraft-Verlängerungs-Messung ergeben sich Streckgrenze beziehungsweise Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Einschnürung. Prüfparameter sind die Dehngeschwindigkeit, die Probengeometrie und die Klemmung.
Prüfleistung:
Wiederholpräzision, Kalibrierung und Messunsicherheit
Die Aussagekraft einer Prüfung hängt von der Wiederholpräzision ab, also der Übereinstimmung von Messwerten bei wiederholter Anwendung desselben Verfahrens am selben Prüfobjekt unter gleichen Bedingungen. Wiederholungen der Spektralanalyse an einer Probe streuen geringfügig; auffällige Streuung deutet auf inhomogene Probenoberflächen, driftende Anregung oder verschmutzte Elektroden hin. Prüfmittel wie Spektrometer, Ultraschallgeräte und Zugprüfmaschinen unterliegen regelmäßigen Kalibrierungen mit zertifizierten Referenzmaterialien beziehungsweise Rückführungen auf nationale Normale. Härtevergleichsplatten, zertifizierte Referenzproben und Normalkraftaufnehmer dienen der Zwischenkontrolle zwischen den Kalibrierintervallen. Zur vollständigen Ergebnisangabe gehört die Messunsicherheit, die alle Beiträge von Prüfmittel, Verfahren, Probe und Umgebung erfasst. Prüflabore dokumentieren Wiederhol- und Vergleichspräzision in Validierungsunterlagen und legen Prüfkraft-, Vergleichs- und Grenzwerte so fest, dass Konformitätsentscheidungen auch im Bereich der Unsicherheitsspanne nachvollziehbar bleiben.
Prüfung
im industriellen Einsatz und Abnahmekriterien nach DIN EN ISO
Im industriellen Einsatz bildet die Prüftechnik die Grundlage für Eingangs-, Produktions- und Endkontrolle. Abnahmekriterien sind überwiegend in DIN-EN-ISO-Normen festgelegt: DIN EN ISO 6892-1 regelt die Zugprüfung metallischer Werkstoffe, DIN EN ISO 6506 beziehungsweise 6507 die Härteprüfung nach Brinell und Vickers, DIN EN ISO 17640 die Ultraschallprüfung von Schweißnähten, DIN EN ISO 3452 die Eindringprüfung und DIN EN ISO 9934 die Magnetpulverprüfung. Für die Abnahme gelten neben den Verfahrensnormen die Produktnormen und Zeichnungsangaben, welche Grenzwerte für Festigkeitskennwerte, zulässige Fehlergrößen und Bewertungsgruppen vorgeben. Ein Bauteil gilt als konform, wenn alle festgelegten Kennwerte innerhalb der Toleranzen liegen und keine über die Bewertungsstufe hinausgehenden Anzeigen vorliegen. Über die Ergebnisse wird ein Prüfbericht erstellt, der Prüfauftrag, angewandte Verfahren, Prüfmittel, Messwerte und die Beurteilung dokumentiert. Diese Dokumentation sichert die Rückverfolgbarkeit in der Fertigungskette.
FAQ
Wie läuft die Einreichung bei den Verfahren und Abläufen der Prüftechnik ab und welche Kommunikationspunkte sind wesentlich?
Nach der Prüfplanung werden Prüfobjekte und Probenahme dokumentiert übergeben. Wesentliche Kommunikationspunkte sind die Auswahl der Prüfverfahren (zerstörend oder zerstörungsfreie), die vereinbarten Prüfparameter wie Spektralanalyse oder Ultraschall sowie die Abnahmekriterien nach DIN EN ISO, die vor Prüfbeginn klar festgelegt werden sollten.
Welche
Faktoren beeinflussen die Kosten der Verfahren und Abläufe der Prüftechnik?
Kostentreiber sind vor allem die Art des Prüfverfahrens, etwa ob zerstörende Prüfungen wie die Zugprüfung oder zerstörungsfreie Methoden wie die Ultraschallprüfung zum Einsatz kommen. Zusätzlich wirken sich der Aufwand der Prüfplanung, die Probenahme, die Anzahl der Messungen sowie Kalibrierung und die Bestimmung der Messunsicherheit auf die Prüfleistung und damit die Kosten aus.
Wie werden Nachprüfungen und Datenstreitigkeiten im Rahmen der Prüftechnik gehandhabt?
Bei abweichenden Ergebnissen wird die Wiederholpräzision der Messtechnik geprüft und eine Nachprüfung an Retained Samples oder neuen Proben durchgeführt. Kalibrierung und dokumentierte Messunsicherheit dienen als Grundlage zur Bewertung strittiger Daten. Liegen die Ergebnisse innerhalb der Abnahmekriterien nach DIN EN ISO, gilt das Prüfobjekt als konform.