Zerstörungsfreie Werkstoffcharakterisierung – HMI-Forscher Christoph Genzel wird Professor an der TU Berlin

Die TU Berlin hat Dr. Christoph Genzel, Kristallograph am Berliner Hahn-Meitner-Institut (HMI), zum Professor (apl) für zerstörungsfreie Werkstoffcharakterisierung ernannt. Die Arbeitsgruppe um Genzel hat an der Berliner Synchrotronstrahlungsquelle BESSY eine Anlage aufgebaut, mit der man innere Spannungen in technischen Bauteilen bestimmen kann – ohne die Teile zu beschädigen. Forscher aus vielen Industrieunternehmen und Instituten untersuchen an der Anlage Werkstoffe oder Bauteile und bekommen so wertvolle Hinweise, wie sie ihre Herstellungsverfahren optimieren können. Seit sechs Jahren hält Genzel Vorlesungen an der TU Berlin, in der er immer wieder junge Wissenschaftler für sein Arbeitsgebiet begeistern kann.

Wenn technische Bauteile produziert werden, bauen sich fast unweigerlich innere Spannungen auf. Sie können das Material schwächen und leichter zu dessen Versagen führen. Spannungen können das Bauteil jedoch auch stabilisieren und damit seine Eigenschaften verbessern. Ein praktisches Beispiel dafür ist die Beschichtung eines Bohrkopfs. Durch eine günstige Spannung lässt sich der Verschleiß der Randschicht deutlich vermindern, oder, anders ausgedrückt, die Haltbarkeit des Bohrers erhöhen.

An Genzels Anlage kann man detailliert und zerstörungsfrei messen, wie die Eigenspannungen in einem Werkstück verteilt sind. Für Industriepartner ist dies ein wichtiges Analyseergebnis, mit dem sie ihre Produktionsverfahren optimieren können. Christoph Genzel verwendet dafür spezielles Röntgenlicht, das in der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY erzeugt wird. Dieses Licht dringt deutlich tiefer in die Bauteile ein als die Strahlung einer gewöhnlichen Röntgenröhre. Seinem Messplatz hat Genzel den Namen EDDI gegeben, was für Energiedispersive Diffraktion steht – das Verfahren, das an dieser Anlage für Spannungsuntersuchungen eingesetzt wird.

EDDI ist vor allem dafür geeignet, die Spannungen in den äußeren Bereichen der Bauteile nachzuweisen. Aber auch, wer wissen will, wie Spannungen tief im Inneren eines Bauteils aussehen, ist im HMI an der richtigen Adresse. Im Institutsteil in Berlin-Wannsee untersucht Genzels Kollege Dr. Rainer Schneider mit Neutronenstrahlung, welche Spannungen im Inneren von Kurbelwellen, Zylinderköpfen oder sogar Raketenbauteilen existieren. Zusammen können Schneider und Genzel zerstörungsfrei Spannungen in winzig kleinen wie auch großen Probenbereichen erkennen.

Seit sechs Jahren gibt Genzel sein Wissen über Röntgen- und Neutronenmethoden, die in der Werkstoffanalytik Verwendung finden, weiter. Seine Vorlesung an der Fakultät III – Prozesswissenschaften gehört für angehende Werkstoffwissenschaftler der TU-Berlin zum studentischen Pflichtprogramm. „Die Lehrtätigkeit an der TU bietet für mich eine ausgezeichnete Gelegenheit, Lehre und Forschung zu verbinden“, sagt Christoph Genzel. Es freue ihn besonders, dass er aus dem Kreis seiner Hörerschaft schon einige tüchtige Nachwuchswissenschaftler gewinnen konnte wie zum Beispiel Manuela Klaus und Ingwer Denks. Zusammen mit Dr. Jens Gibmeier tragen sie ganz wesentlich dazu bei, dass das Experiment EDDI ein großer Erfolg ist – bei den Projekten externer Forscher aus Wissenschaft und Industrie wie auch bei den eigenen Arbeiten der HMI-Wissenschaftler.

Ein von italienischen Wissenschaftlern bearbeitetes Projekt der letzten Jahre war zum Beispiel die Untersuchung alter Orgeln. Orgelbauer wollten dem Herstellungsverfahren auf die Spur kommen und damit dem Geheimnis des Klanges alter Orgeln. Sie haben deshalb Schallzungen untersuchen lassen, wie sie in manchen Orgelpfeifen verwendet werden. Aus den Spannungsverteilungen in diesen Zungen wollen sie den Herstellungsprozess rekonstruieren.  

 Die Eigenspannungsanalyse ist nur eine der Methoden, die das HMI mithilfe seiner Großgeräte anbietet. Insgesamt betreibt das Berliner Institut sechs Anlagen an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY sowie etwa zwanzig Anlagen am eigenen Forschungsreaktor in Berlin-Wannsee, an denen mit Neutronen experimentiert wird. Wie im Fall der Eigenspannungsanalyse ergänzen sich oft die Messungen mit beiden Strahlenarten, so dass erst das Kombinieren von Experimenten eine umfassende Antwort auf eine wissenschaftliche Fragestellung liefert. An den meisten dieser Anlagen wird der größte Teil der Messzeit externen Wissenschaftlern von Universitäten, anderen Forschungszentren und der Industrie zur Verfügung gestellt.

Bildmaterial:

Zwei Messingzungen aus einer barocken Orgel werden mit Synchrotronstrahlung auf innere Spannungen untersucht. Die Synchrotronstrahlen kommen von links unten, werden an den Zungen gestreut und im Detektor (silberner Zylinder im Hintergrund) nachgewiesen. Detektor und Probentisch können verkippt werden. So kann man Strahlen nachweisen, die in verschiedene Richtungen gestreut werden.