Simulationssystem reduziert Testläufe für Motorkomponenten

Das Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg hat ein Simulationsverfahren entwickelt, mit dem sich in Rekordzeit vorhersagen lässt, wann und wo stark belastete Motorenbauteile versagen. Autohersteller können die Entwicklung neuer Motorkomponenten so deutlich verkürzen.

Mit bis zu 1050 Grad Celsius zischen Abgase aus Automotoren. Für die Motorenbauteile bedeutet das enorme Belastungen, denn in der Hitze dehnen sie sich extrem aus. Bei klirrendem Frost hingegen zieht sich das Material zusammen. Derartige Temperaturschwankungen setzen dem Material auf Dauer enorm zu. Die Hersteller testen besonders belastete Bauteile deshalb schon während der Fahrzeugentwicklung im Prüfstand.

Doch solche Untersuchungen sind aufwendig: Es müssen Bauteilprototypen gefertigt und in einem zeitraubenden Versuch- und Irrtumsprozess modifiziert werden, bis schließlich ein verlässliches Bauteil ohne Schwachstelle vorliegt. Für jeden neuen Werkstoff müssen die Hersteller solche Untersuchungen durchexerzieren.

Abhilfe schafft hier ein am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg entwickeltes Simulationsverfahren. Damit berechnen die Forscher, an welchen Stellen ein Bauteil nach einer bestimmten Zahl von Aufheiz- und Abkühlungszyklen mürbe wird und versagt. Dem Hersteller ist es dadurch möglich, die Geometrie des Werkstücks schon am Rechner zu optimieren und die Zahl der realen Testläufe deutlich zu reduzieren. Die Freiburger nehmen dafür das Material genau unter die Lupe. Sie prüfen den Werkstoff zunächst im Labor, erhitzen, quetschen und ziehen das Metall und überprüfen immer wieder unter dem Mikroskop, wann und wo sich feinste Risse bilden. Dieses Wissen speisen die Forscher dann in ihre Simulationssoftware ein. Der Autohersteller kann damit fortan für jede neue Bauteilgeometrie berechnen, wie sich das Material verhalten und wann es versagen wird.

»Unsere Simulationsmodelle lassen sich auf verschiedenste Werkstoffe anwenden und auch in anderen Branchen einsetzen«, sagt Dr. Thomas Seifert, Projektleiter am IWM. Derzeit untersuchen Seifert und seine Kollegen in einem Kooperationsprojekt mit RWE Power und Thyssen-Krupp hitzebeständige Nickel-Legierungen für eine neue Kraftwerksgeneration. Diese sollen bei besonders hohen Temperaturen arbeiten und höhere Wirkungsgrade erreichen als heutige Anlagen.