Häufig gestellte Fragen zur i3D Technologie

Die i3D^®-Technologie ermöglicht eine zerstörungsarme Materialprüfung mittels kraftgesteuerter Eindringung und 3D-Vermessung. Sie liefert präzise mechanische Kennwerte direkt an der Bauteiloberfläche – schnell, lokal und effizient. In den folgenden FAQs beantworten wir zentrale Fragen zum Verfahren, zu den Einsatzbereichen und zu den Anforderungen gemäß DIN SPEC 4864.

Anwendungsbereich laut DIN SPEC 4864

Für welche Werkstoffe ist das i3D^®-Verfahren geeignet?

Das Verfahren ist für plastisch verformbare metallische Werkstoffe konzipiert, bei denen durch den Prüfeindruck ein charakteristischer Materialaufwurf am Rand entsteht. Die Korngröße darf dabei maximal ein Drittel des Eindruckdurchmessers betragen. Werkstoffe mit ausgeprägter Anisotropie, porösem Gefüge oder starkem Unterschied im Zug- und Druckverhalten (z. B. Lamellengraphit) sind nicht geeignet.

Was ist das Ziel des i3D^®-Prüfverfahrens?

Ziel ist es, Fließkurven und mechanische Vergleichskennwerte (z. B. Rp₀,₂ und Rm) zerstörungsarm, lokal und effizient zu bestimmen – als Alternative oder Ergänzung zum klassischen Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1.

Wie werden die Fließkurven beim i3D^®-Verfahren bestimmt?

Durch ein FEM-basiertes inverses Verfahren, bei dem die reale Eindruckgeometrie mit simulierten Ergebnissen verglichen und so die plastischen Materialkennwerte präzise berechnet werden.

Welche Einschränkungen gibt es bei der Werkstoffstruktur?

Das Verfahren setzt eine möglichst homogene Mikrostruktur voraus. Grobe Korngrößen, stark poröse Materialien oder Werkstoffe mit Gefüge, das zu Zug-Druck-Anisotropie führt, können die Ergebnisse verfälschen.

Kann das Verfahren auf Werkstoffe mit Eigenschaftsgradienten angewendet werden?

Nur bedingt: Bei Werkstoffen mit mechanischen Gradienten über z. B. die Dicke kann eine einzelne punktuelle i3D^®-Messung nicht repräsentativ für das gesamte Bauteil sein. In solchen Fällen sind mehrere Messpunkte erforderlich.

Was bedeutet „quantitativ richtungsunabhängige Ergebnisse“?

Die Ergebnisse sind im Regelfall unabhängig von der Probenorientierung, solange keine anisotropen Werkstoffe oder Gradienten vorliegen. Dies ist ein Vorteil gegenüber Zugversuchen, bei denen Probenrichtung eine Rolle spielt.

Können anisotrope Fließkurven bestimmt werden?

Bei geringer Eindringtiefe und entsprechender Datenauswertung kann das Verfahren qualitativ Aussagen zu richtungsabhängigen Eigenschaften liefern – jedoch nicht vollständig substitutiv zum anisotropen Zugversuch.

Ist eine Kalibrierung notwendig?

Das Verfahren kann durch eine werkstoff- und probenspezifische Kalibrierung ergänzt werden, um die Genauigkeit weiter zu steigern – vor allem bei besonderen Materialeigenschaften oder Oberflächenzuständen.

Welche Norm dient als Referenz für den Vergleich?

Die mit i3D^® ermittelten Kennwerte dienen als Vergleichskennwerte zum klassischen Zugversuch gemäß DIN EN ISO 6892-1 (Zugprüfung bei Raumtemperatur).

Kann das Verfahren auch für sehr dünne oder kleine Proben genutzt werden?

Ja, solange die Anforderungen an die Korngröße, Oberflächenbeschaffenheit und Eindringtiefe eingehalten werden. Die Punktgenauigkeit ist ein besonderer Vorteil des i3D^®-Verfahrens.

Kurzbeschreibung des Prüfverfahrens laut DIN SPEC 4864

Wie funktioniert das i3D^®-Prüfverfahren grundsätzlich?

Ein Diamant-Eindringkörper wird senkrecht zur Probenoberfläche kraftgesteuert in das Material gedrückt. Die Prüfkraft wird gehalten und danach wieder entlastet. Die bleibende dreidimensionale Verformung (Eindruck) wird anschließend hochauflösend vermessen.

Was geschieht nach der Messung des Prüfeindrucks?

Ein Simulationsmodell wird erstellt, das das Materialverhalten unter der Prüflast nachbildet. Die Simulation basiert auf Finite-Elemente-Methoden (FEM) und enthält Parameter wie Reibung, Randbedingungen und das plastische Verhalten des Materials.

Wie wird aus dem Eindruck auf Materialkennwerte geschlossen?

Ein Optimierungsalgorithmus passt die Materialparameter in der Simulation so lange an, bis der simulierte Eindruck möglichst gut mit dem real gemessenen übereinstimmt. Dieses Vorgehen wird als inverses Verfahren bezeichnet.

Was ist das Ziel des inversen Verfahrens?

Die mechanischen Eigenschaften des Materials – wie Fließkurve, Streckgrenze (Rp₀,₂) und Zugfestigkeit (Rm) – exakt zu bestimmen, ohne das Bauteil zu zerstören. Das Verfahren endet, wenn Konvergenz zwischen realem und simuliertem Eindruck erreicht ist.

Was sind die konkreten Ergebnisse des i3D^®-Verfahrens?

Ausgegeben werden vollständige Fließkurven sowie Vergleichskennwerte, die mit einem klassischen Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1 vergleichbar sind.

Warum ist dieses Verfahren innovativ?

Es kombiniert zerstörungsarmes Prüfen mit moderner 3D-Messtechnik und simulationsbasierter Auswertung. Dadurch sind schnelle, präzise und lokale Aussagen zur Materialfestigkeit möglich – auch an realen Bauteilen.

Prüfsystem laut DIN SPEC 4864

Welche Hauptkomponenten umfasst das i3D^®-Prüfsystem?

Das System besteht aus einer Härteprüfmaschine, einem Probenhalter (z. B. Tisch), einem Eindringkörper, einem 3D-Messgerät, einer Auswertesoftware mit FEM-Simulation und der entsprechenden Computerhardware.

Welche Aufgabe hat die Prüfmaschine?

Sie erzeugt eine kraftgesteuerte Relativbewegung zwischen Probe und Eindringkörper und muss in der Lage sein, die definierte Prüfkraft exakt aufzubringen und die Anforderungen der DIN SPEC 4864 zu erfüllen.

Wie wird die Geometrie des Eindrucks vermessen?

Mittels eines Messgeräts zur flächenhaften 3D-Vermessung des Prüfeindrucks, das eine hohe Auflösung und Messgenauigkeit bieten muss.

Welche Rolle spielt die Software im System?

Die Software berechnet aus dem realen Eindruck mithilfe eines inversen Verfahrens die Fließkurve und Kennwerte des Werkstoffs durch Abgleich mit FEM-Simulationen.

Welche Anforderungen gelten für den Aufstellort der Maschine?

Der Standort muss vibrations- und erschütterungsfrei sein, um die notwendige Messgenauigkeit der Topographie zu gewährleisten.

Was muss beim Prüfraum beachtet werden?

Der Prüfraum muss ausreichend Platz für die Probenkörper und notwendige Kalibrierwerkzeuge bieten, z. B. Kraftaufnehmer.

Probenkörper – Anforderungen laut DIN SPEC 4864

Wie muss die Oberfläche für die i3D^®-Prüfung vorbereitet werden?

Die Oberfläche muss glatt, eben und frei von Zunder, Fremdkörpern und Schmierstoffen sein. Eine Veränderung der Materialeigenschaften durch Erwärmen oder Kaltverformung ist zu vermeiden.

Darf bei reaktiven Metallen ein Schmiermittel verwendet werden?

Ja, z. B. bei Titan. In diesem Fall darf ein geeignetes Schmiermittel (z. B. Kerosin) eingesetzt werden – die Verwendung muss jedoch im Prüfbericht dokumentiert werden.

Welche Mindestdicke muss der Probekörper aufweisen?

Die Dicke sollte mindestens dem Zehnfachen der bleibenden Eindringtiefe entsprechen – außer es kann nachgewiesen werden, dass eine geringere Dicke keinen Einfluss auf die Messung hat.

Welche Anforderungen gelten für die Ebenheit und Ausrichtung?

Die Prüfkraft muss orthogonal (max. 2° Abweichung) zur Oberfläche aufgebracht werden. Oberfläche und Auflagefläche müssen den Toleranzen nach ISO 2768-L entsprechen.

Wie groß muss das Prüfvolumen sein?

Ausreichend groß, damit sich ein vollständiger plastischer Eindruck bilden kann – ohne Beeinflussung durch Ränder oder Unterlagen.

Welche Rauheitsanforderungen gelten je nach Kraftbereich?

Die Oberflächenrauheit richtet sich nach dem eingesetzten Kraftbereich:

Klein (10–<300 N): max. Sa = 0,2 µm – Feinschleifen, ggf. Polieren
Mittel (300–<1000 N): max. Sa = 0,5 µm – Vorschleifen, Fräsen, Drehen
Groß (1000–2500 N): max. Sa = 1 µm – Trennen, Grobschleifen

Ist eine spezielle Probenpräparation immer notwendig?

Nur wenn die Oberflächenbeschaffenheit den Anforderungen nicht entspricht. Andernfalls kann auf eine zusätzliche Bearbeitung verzichtet werden.

Eindringkörper – Spezifikationen laut DIN SPEC 4864

Welche Form muss der Eindringkörper haben?

Der Eindringkörper muss sphärisch oder sphärokonisch ausgeführt sein und rotationssymmetrisch aufgebaut sein.

Welche Typen sind bevorzugt zu verwenden?

Bevorzugt werden die Typen A und B eingesetzt:

Typ A: Kugelradius 350 µm, Übergang tangential in einen konischen Teil mit 45° Flankenwinkel.
Typ B: Kugelradius 100 µm, ebenfalls tangentialer Übergang in einen 45°-Kegel.

Wie tief dringt der Eindringkörper maximal ein?

Die maximale Eindringtiefe beträgt ca. 300 µm. Diese Tiefe bestimmt zusammen mit dem 45°-Winkel die Kegellänge.

Welche Kennzeichnung muss der Eindringkörper tragen?

Jeder Diamanteindringkörper muss mit einer eindeutigen Kennnummer versehen sein, idealerweise am Schaft des Eindringstempels.

Zum Prüfverfahren laut DIN SPEC 4864

In welchem Temperaturbereich wird geprüft?

Standardmäßig erfolgt die Prüfung bei Raumtemperatur zwischen 10 °C und 35 °C. Für kontrollierte Bedingungen ist eine Temperatur von (23 ± 5) °C vorgesehen. Abweichungen davon müssen im Prüfbericht dokumentiert werden.

Wie ist mit Temperaturschwankungen umzugehen?

Bei signifikanten zeitlichen Temperaturgradienten kann sich die Messunsicherheit erhöhen. Das Prüflabor ist dafür verantwortlich, den Einfluss der Umgebung zu bewerten.

Was muss täglich geprüft werden?

Vor dem ersten Einsatz jeder Prüfkraftstufe muss eine tägliche Systemüberprüfung gemäß Anhang A erfolgen. Auch der Zustand des Eindringkörpers ist zu überprüfen.

Was passiert bei Austausch von Komponenten?

Nach jedem Wechsel oder Entfernen des Eindringkörpers oder der Probenaufnahme müssen zwei Prüfungen durchgeführt und verworfen werden. Danach ist eine tägliche Systemprüfung erforderlich.

Welche Voraussetzungen gelten für den Eindringkörper?

Er muss identisch mit dem bei der letzten indirekten Überprüfung eingesetzten Eindringkörper sein. Bei erstmaligem Einsatz ist er mit zwei Referenzmaterialien unterschiedlicher Festigkeit zu prüfen.

Wie muss die Probe positioniert werden?

Die Prüffläche muss orthogonal zur Prüfkraftrichtung stehen und fest in der Aufnahme positioniert sein, um ein Verrutschen zu vermeiden.

Welche Abstände zwischen Prüfpunkten sind einzuhalten?

Zwischen den Mittelpunkten benachbarter Eindrücke muss mindestens das Dreifache des Eindruckdurchmessers liegen. Zum Rand des Probekörpers sind mindestens das 2,5-Fache einzuhalten.

Ablauf des Prüfverfahrens

1. Prüfeindruck erzeugen

Ein Eindringkörper dringt kontrolliert kraftgesteuert und orthogonal in die Oberfläche der Probe ein. Dieser Schritt erfolgt minimal zerstörend, ohne klassische Probenpräparation.

2. 3D-Vermessung des Eindrücks

Mittels optischer Messtechnik (z. B. Weißlichtinterferometrie) wird die Form des Prüfeindrucks mit hoher Genauigkeit dreidimensional erfasst.

3. Inverses Verfahren zur Fließkurvenermittlung

Ein Simulationsmodell vergleicht den realen Eindruck mit FEM-basierten Ergebnissen und ermittelt durch Optimierung die zugrundeliegenden Materialparameter (z. B. Streckgrenze, Zugfestigkeit, Verfestigung).

4. Spannungs-Dehnungs-Kurve & Vergleichskennwerte

Auf Basis der Fließkurven werden die technischen Spannungs-Dehnungs-Kurven berechnet und Vergleichskennwerte wie Rp₀,₂ oder Rm ausgegeben – analog zum Zugversuch.

Wie wird die Prüfkraft F aufgebracht?

Die Prüfkraft muss erschütterungsfrei, stoßfrei und ohne Überschwingen oder Überlastung orthogonal auf die Probe aufgebracht werden. Die Einwirkzeit erfolgt gemäß den Vorgaben der Norm, um eine gleichmäßige plastische Verformung sicherzustellen.

Was ist beim Entlasten der Prüfkraft zu beachten?

Die Rücknahme der Prüfkraft muss kontrolliert erfolgen, sodass keine zusätzliche Veränderung des bleibenden Eindrücks entsteht – insbesondere durch Stöße oder Lageveränderungen von Probe oder Eindringkörper.

Welche Prüfkräfte werden empfohlen?

Die Norm empfiehlt folgende standardisierte Prüfkräfte: 49,03 N, 98,07 N, 147,10 N, 294,20 N, 588,40 N, 1 471,00 N. Die konkrete Wahl hängt ab von Werkstofffestigkeit, gewünschtem Eindruckdurchmesser und Probendicke.

Kann der Prüfzyklus wiederholt werden?

Ja, um die Reproduzierbarkeit und Aussagekraft zu erhöhen, kann ein zweiter Prüfeindruck direkt im Anschluss unter gleichen Bedingungen gesetzt werden – insbesondere zur Reduzierung der Standardabweichung bei Serienprüfungen.

Kalibrierung & Anforderungen an den Eindringkörper

Wie erfolgt die Kalibrierung der i3D^® Prüfmaschine?

Die Kalibrierung erfolgt in zwei Stufen: direkte und indirekte Überprüfung. Beide Verfahren sind gemäß DIN SPEC 4864 mindestens einmal jährlich durchzuführen.

Was wird bei der direkten Kalibrierung geprüft?

Die direkte Überprüfung umfasst:

- Prüfkräfte
- Eindringstempel samt Eindringkörper
- Prüfzyklus (zeitliche Steuerung der Kraft)
- 3D-Messsystem zur Vermessung des Eindrücks

Was ist Ziel der indirekten Kalibrierung?

Sie dient der Kontrolle der Messergebnisse über kalibrierte Referenzproben mit bekannter Zugfestigkeit. Sie kann zur regelmäßigen Routineüberprüfung beim Anwender eingesetzt werden.

Wie häufig ist eine vollständige Kalibrierung notwendig?

Mindestens einmal innerhalb von 12 Monaten. Sie beginnt mit der direkten und schließt mit der indirekten Überprüfung ab.

Welche Anforderungen gelten an die Messgeräte zur Formprüfung der Eindringkörper?

Die Geräte müssen folgende erweiterte Messunsicherheiten bei 95 % Vertrauensniveau einhalten:

Winkel: ±0,1°
Radius: ±5 µm

Welche Geometrieanforderungen gelten für die Eindringkörper?

Der konische Teil muss einen Winkel von 90° ± 0,35° besitzen. Die Spitze ist kugelig auszuführen:

Typ A: Radius 350 µm ± 15 µm (Einzelwert), ±10 µm (Mittelwert), max. 2 µm lokale Abweichung
Typ B: Radius 100 µm ± 15 µm (Einzelwert), ±10 µm (Mittelwert), max. 2 µm lokale Abweichung

Wie erfolgt die Sichtkontrolle?

Durch eine Lupe mit mindestens 10-facher Vergrößerung wird geprüft, ob grobe Beschädigungen oder Verunreinigungen an der Eindringspitze sichtbar sind.

Wie oft sollte der Eindringkörper ausgetauscht werden?

Empfohlen wird ein Austausch alle zwei Jahre, da auch mikroskopisch nicht sichtbare Veränderungen die Messergebnisse beeinflussen können.

Indirekte Kalibrierung nach DIN SPEC 4864

Wofür dient die indirekte Kalibrierung?

Sie stellt sicher, dass die i3D^®-Prüfmaschine zuverlässige Ergebnisse liefert, indem sie an zertifizierten Referenzmaterialien geprüft wird, deren Zugfestigkeiten bekannt sind.

Was ist zertifiziertes Referenzmaterial?

Ein Material mit durch Ringversuche gesicherten Kennwerten und homogener Verteilung der mechanischen Eigenschaften. Es dient als normkonforme Vergleichsbasis.

Wie viele Proben und Versuche sind erforderlich?

Pro Werkstoffgruppe müssen zwei Proben mit ausreichender Differenz der Zugfestigkeit verwendet werden (≥ 500 MPa bei Stählen, ≥ 100 MPa bei Aluminium). Jeweils 5 Versuche pro Referenzprobe sind durchzuführen.

Welche statistischen Auswertungen sind gefordert?

Die systematische Messabweichung (absolute und relative Abweichung zum Nennwert) sowie die relative Streuung der Einzelmessungen sind zu berechnen und mit Tabelle A.1 abzugleichen.

Welche Grenzwerte gelten laut DIN SPEC 4864 (Tabelle A.1)?

Maximale Abweichungen für indirekte Kalibrierung:

Stähle:
Rp₀,₂: ±8 %
Rm: ±5 %
Streuung: Rp₀,₂ = 3 %, Rm = 2 %

Aluminiumlegierungen:
Rp₀,₂: ±10 %
Rm: ±10 %
Streuung: jeweils ±5 %

Welche Einschränkungen gelten für die Prüffläche der Referenzprobe?

Die Prüfung darf ausschließlich auf einer Seite der Probe erfolgen. Die Proben müssen homogen sein und dürfen keine Oberflächenfehler aufweisen.

Welche Verantwortung trägt der Anwender?

Der Anwender ist verpflichtet, nur zertifizierte Referenzproben zu verwenden und die Einhaltung der Anforderungen zu dokumentieren.