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Mit atomarer Präzision – Hochleistungstechnologie für die Entwicklung

Ob in der biologischen Forschung, medizinischen Diagnostik oder zur Materialprüfung in der Technik: Die Einsatzgebiete von radioaktiven Nukliden sind extrem vielfältig. In der Automobilindustrie dient die Radionuklidtechnologie (RNT) unter anderem Motorenentwicklern als zentrales Hilfsmittel zur Verschleißanalyse bei wichtigen Bauteilen wie zum Beispiel Kolbenringen oder Pleuellagern. IAV nutzt die RNT-Methode bereits für Messungen an Verbrennungsmotoren – sie ist aber auch im Bereich E-Mobilität einsetzbar, beispielsweise bei E-Komponenten und Getrieben.

Mit Zukunftstechnologien wie E-Mobilität, autonomem Fahren und Vernetzung steigt das Innovationstempo in der Automobilindustrie weiter stark an. Die Produktentwicklung muss mithalten und nimmt durch fortschreitende Digitalisierung und den Einsatz von prädiktiver Simulationssoftware und Künstlicher Intelligenz ebenso Fahrt auf.

Bei zunehmend virtuellen Entwicklungsprozessen wird es immer wichtiger, schon frühzeitig Erkenntnisse zu Kontaktreibung von festen Körpern in bestimmten Betriebspunkten und einem daraus resultierenden Materialabtrag zu gewinnen. Hier liefern sogenannte Online-Verschleißmessungen mit radioaktiven Nukliden Messwerte im Nano-Bereich, mit denen sich die Qualität von Simulationen überprüfen und optimieren lässt.

Wo Kräfte der motorgetriebenen Fortbewegung wirken, kommt es zu Relativbewegung zwischen festen Körpern. Die dabei auftretende Reibung ist sowohl ökologisch als auch ökonomisch nachteilig. Zum einen bremst sie die Bewegung zwischen Körpern und führt somit zu höherem Kraftstoffverbrauch und steigenden CO2-Emissionen. Ebenso verursacht fortschreitender Verschleiß Zusatzkosten für Reparatur und Ersatzteile. Daher setzen Entwickler auf die präzise und effiziente RNT-Methode, um Reibung und Verschleiß möglichst gering zu halten. Dabei können nahezu alle verschleißrelevanten Motorteile und Materialien aktiviert, untersucht und bewertet werden.

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Synergieeffekte in der Entwicklung

Die Verkürzung der Produktzyklen hat Auswirkungen auf die Entwicklungsprozesse. Dauerlauferprobungen von bis zu 1.000 Stunden für Pkw-Motoren, die bei hohen Kosten nur unzureichende Informationen liefern, gelten inzwischen als unrentabel. Auf Basis von RNT-Messergebnissen lassen sich Freigabe und Produktionsstart signifikant beschleunigen und damit einhergehende Kosten spürbar reduzieren, sagt Dr. Hubert Schultheiß von der Abteilung für Simulation und Validierung bei IAV.

„Die Messwerte liefern eine wesentliche Grundlage, um Verschleißvorgänge im Entwicklungs- und Erprobungsprozess schnell zu bewerten und prädiktive Berechnungsmethoden spürbar zu verbessern“, so Schultheiß. „Zudem ermitteln wir Verschleißraten in Realzeit und können verschleißrelevante Bauteile für ihre Lebensdaueranforderung somit punktgenau optimieren.“

Verschleißanalyse in Echtzeit

Bei der RNT-Methode wird zunächst das zu untersuchende Bauteil an einem Teilchenbeschleuniger (Zyklotron) mit Protonen, Deuteronen, Alphateilchen oder Neutronen beschossen. Durch die Reaktionen dieser Teilchen mit den Atomkernen des zu bewertenden Bauteils wird an dessen Oberfläche eine dünne radioaktive Schicht erzeugt, die beim radioaktiven Zerfall eine gut messbare Gammastrahlung aussendet. Der abriebbasierte Verschleiß erzeugt kleinste aktivierte Partikel, welche in das Schmiermedium eingetragen werden und deren Gammastrahlung im Ölkreislauf detektiert werden kann. Die daraus abgeleitete Verschleißrate des betreffenden Bauteils kann zudem kontinuierlich und mit hoher Präzision während des Betriebes am Prüfstand online verfolgt werden.

Für die Nutzung der RNT-Messmethode am Standort Chemnitz/Stollberg hat IAV eine Sondergenehmigung des Freistaates Sachsen, da der Umgang mit radioaktiven Stoffen unter anderem dem Strahlenschutzgesetz unterliegt. Ferner arbeitet IAV mit dem belgischen Partner Delta Services Industriels (DSI) zusammen, einem Spezialisten in der Entwicklung und Nutzung radioaktiver Markertechniken.

In der IAV-eigenen Anwendungsweise der RNT-Methode können dank des Einsatzes von Reinstgermanium-Detektoren für Gammastrahlen bis zu fünf Komponenten gleichzeitig untersucht werden. Diese sogenannten HPGE-Detektoren sind deutlich effizienter als Natrium-Iodid-Detektoren (NaI), die nur bis zu zwei Elemente simultan analysieren können.

Neue Einsatzgebiete im Visier

Aus den RNT-Messwerten erzeugt das Datenaufbereitungstool IAV Teslin detaillierte Übersichten zu sämtlichen Messvorgängen pro Bauteil. Entwickler und Komponentenverantwortliche auf Kundenseite profitieren von einer deutlich höheren Effizienz und besseren Auswertemöglichkeiten während und nach Dauerlauferprobungen.

Durch unsere tiefgreifenden Fachkenntnisse im Bereich Prüf- und Testeinrichtungen beschäftigen wir uns schon seit Jahren mit der RNT-Verschleißmessung. Dabei prüfen wir auch mit Blick auf die wesentlichen Zukunftstechnologien neue Einsatzgebiete, beispielsweise im Bereich Schmieröle für E-Antriebe. Auch hier ermöglicht die RNT-Methode wertvolle Rückschlüsse zum Beispiel auf das Verschleißverhalten unterschiedlicher Materialien oder Beschichtungen mit einem gleichbleibenden Bezugsschmierstoff. So lassen sich zum Beispiel die Qualitäten verschiedener Getriebeöle in E-Achsen miteinander vergleichen bezüglich des Verschleißverhaltens spezifischer Bauteile wie Zahnräder und Lager.

«Die Radionuklidtechnologie bietet großes Potenzial für den gesamten Antriebsstrang. Sie ist ein wirkungsvolles Instrument, um die Ressourcennutzung des Gesamtsystems zu verbessern.»

Philipp Zumpf — Abteilungsleiter Simulation und Validierung bei IAV

Wenn Sie schon immer wissen wollten, wie sich Ihre Reibungspartner verhalten und optimieren lassen, dann kontaktieren Sie uns. Die RNT-Testkapazitäten von IAV stehen bereit und können viele Systeme und Komponenten wirksam verbessern.

Der Artikel erschien in der automotion 03/2020, dem Automotive Engineering-Fachmagazin von IAV. Hier können Sie die automotion kostenfrei bestellen.

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