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Donnerstag, 02. Dezember 2021
Ausgabe 7409 | Nr. 336 | 21. Jahrgang
D.I.E. Baustatik Software - Einfach | Anders | Besser
Autor: Fabian Hesse
Herausgeber: bauingenieur24 Informationsdienst email-weiterempfehlendruckansicht

Qualitätsprüfung von Stahl: Neues Verfahren bietet weltweit höchste Genauigkeit

# 12.11.2021

Geringe Abweichungen im Stahlgefüge verändern Materialeigenschaften. Künstliche Intelligenz ersetzt menschliches Auge bei Prüfmethode. Forscher der Universität des Saarlandes für Entwicklung mehrfach ausgezeichnet

Bislang 5.000 verschiedene Stahlsorten entwickelt

Es gibt etwa 5.000 Stahlsorten. Jede weist ein individuelles Gefüge und damit bestimmte Materialeigenschaften auf. Grafik: Wikimedia Es gibt etwa 5.000 Stahlsorten. Jede weist ein individuelles Gefüge und damit bestimmte Materialeigenschaften auf. Grafik: Wikimedia

Der Baustoff Stahl ist je nach Anwendungsbereich unterschiedlich zusammengesetzt. Daraus ergeben sich etwa 5.000 verschiedene Stahlsorten.

Zur Prüfung der jeweiligen Qualität werden bislang Materialproben unter dem Mikroskop untersucht. Hier zeigt jeder Stahl ein anderes Bild.

"Die innere Struktur des Stahls ist auf der Mikro- und Nanoskala sehr individuell. Stahl hat viele Gesichter, die präzise wiedererkennbar sind", erklärt der Materialwissenschaftler Dominik Britz. Von den inneren Strukturen hängt ab, welche Eigenschaften der jeweilige Stahl hat.

Herstellungsprozess bestimmt Materialeigenschaften

Die individuellen Materialeigenschaften erhält Stahl bei seiner Herstellung. Jeder Produktionsschritt hat Auswirkungen auf die Struktur bzw. das "Gefüge". Dabei wirken sich die chemische Zusammensetzung, das Walzverfahren und die Wärmebehandlungen auf die Mikrostruktur aus.

Eine kleine Änderung genügt und alle Bestandteile sind um einen Hauch anders angeordnet, anders geformt oder anders räumlich verknüpft. Bislang werden bei Qualitätsprüfungen Mikroskopieaufnahmen von Proben mit Beispielaufnahmen guter Qualität verglichen. Hierfür braucht es Experten mit viel Erfahrung.

Neues Prüfverfahren soll Fehlerquote deutlich verringern

"Das Gefüge des Stahls ist hochkomplex. Besonders bei Hochleistungsanforderungen müssen aber auch kleinste Unterschiede erkannt und richtig klassifiziert werden. Dies ist mit dem menschlichen Auge immer schwerer zu erkennen", erklärt Dominik Britz, der am Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes und am Material Engineering Center Saarland (MECS) zum Thema Qualitätsprüfungen von Stahl forscht.

Die Genauigkeit des beschriebenen Verfahrens liegt bei etwa 75 Prozent, was eine relativ hohe Fehlerquote bedeutet. Zusammen mit Chemikern der Universität sowie Informatikern vom Saarbrücker Max-Planck-Institut und den Dillinger Hüttenwerken hat ein Forschungsteam um Britz eine neue Prüfmethode entwickelt, die eine Genauigkeit von bis zu 95 Prozent bieten soll.

Künstliche Intelligenz identifiziert unterschiedliche Stahltypen

Das Verfahren macht den inneren Aufbau der Stahlgefüge sichtbar und identifiziert diese mithilfe künstlicher Intelligenz. Anstelle von Menschen vergleichen Computermodelle dabei die Mikroskopieaufnahmen der Stahlproben mit eindeutig klassifizierten Bilddaten. Sie erkennen die komplexen Muster und die Geometrie der Mikrostruktur und ordnen diese Stahltypen zu.

"Die Computermodelle lernen auch hinzu und können Merkmale von zuvor klassifizierten Mikrostrukturen mit den Mustern abgleichen", führt Britz aus. Gemeinsam mit Informatikern und deren maschinellen Lernmethoden trainierte er den Hochleistungsrechnern dieses Wissen an.

Stahlgefüge wird im Lichtmikroskop farblich erkennbar

Mit unterschiedlichen Spezialverfahren in der Rasterelektronenmikroskopie und anderen Mikroskopieverfahren beschrieb er hierfür die physikalischen Hintergründe von eindeutigen Abbildungen der Gefügebestandteile. Mit Chemikern der Saar-Universität machte er das Gefüge im Lichtmikroskop zudem farblich erkennbar.

"Es wird so reproduzierbar und verlässlich abgebildet. Alle Bestandteile und ihre geometrische Form und Größe lassen sich exakt auslesen. Das Eigenschaftsspektrum des Stahls lässt sich so für den jeweiligen Einsatz schneller und verlässlicher prüfen", erläutert Dominik Britz. Mit ihrer Entwicklung wollen die Forscher die Stahlindustrie dabei unterstützen, Stahlsorten noch gezielter für die jeweilige Anwendung weiterzuentwickeln.

Junger Materialforscher bereits mehrfach ausgezeichnet

Die Deutsche Gesellschaft für Materialkunde (DGM) hat Dominik Britz in diesem Jahr für die "erste vollständig reproduzierbare Mikrostruktur-Kontrastierung" sowie "die erstmalige Einführung des maschinellen Lernens in die vollautomatische Bildanalyse und Gefüge-Klassifizierung" den Georg-Sachs-Preis verliehen.

Mit diesem Preis zeichnet die DGM herausragende wissenschaftliche Arbeiten aus, die in enger Beziehung zur Praxis der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik stehen. Der Preis wird vom Stifterverband Metalle und dem Fachverband der Nichteisen-Metallindustrie Österreichs gemeinsam ausgelobt.

Für seine Forschungsarbeit erhielt Britz 2020 bereits den Eduard-Martin-Preis der Universitätsgesellschaft des Saarlandes für eine der besten Summa-Cum-Laude-Dissertationen des Jahres.

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