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  • 4. Mai 2012
    3459

    9.Teil – Kompetenz und Vertrauen, die Basis der Konformitätsbewertung

    Die Ausführungen des bisherigen Textes machten deutlich, dass es zahlreiche Varianten von Konformitätsbewertungen gibt:

    • sie können von Anbietern (erste Seite), Anwendern (zweite Seite) oder unabhängigen Dritten (dritte Seite) durchgeführt werden,
    • sie können auf der Basis von zertifizierten Managementsystemen, auf der Basis von Akkreditierungen oder ohne jede Zertifizierung bzw. Akkreditierung erfolgen,
    • sofern sie durch eine akkreditierte Stelle durchgeführt werden, können sie in Form von Prüfungen, Inspektionen oder Zertifizierungen erfolgen.

    Die Wahl der geeigneten Konformitätsbewertung kann eine Frage des Grades von Vertrauen sein, welches man bezüglich des Gegenstandes der Konformitätsbewertung aufbauen will – z.B. das Vertrauen in ein Produkt durch eine:

    • Anbieter-Erklärung,
    • Prüfung an einem baugleichen Produkt durch ein unabhängiges Prüflabor,
    • umfassende Inspektion des Produktes und der produktbezogenen Herstellungs- und Prüfprozesse durch eine Inspektionsstelle,
    • Produktzertifizierung durch eine Zertifizierungsstelle inkl. der Möglichkeit, Zertifikate oder Konformitätszeichen der Zertifizierungsstelle für die Kommunikation mit den Kunden zu nutzen.
    Zusammenfassende Darstellung von Konformitätsbewertungsstellen, Konformitätsbewertungen und Konformitätserklärungen

    Die Wahl der geeigneten Konformitätsbewertung kann eine Frage des Grades von Vertrauen sein, dass man den Adressaten der Konformitätsaussage geben will oder muss – z.B.:

    • Märkten,
    • konkreten Anwendern,
    • bestimmten Verbrauchern,
    • Behörden.

    Die Wahl der Konformitätsbewertung kann bestimmt werden durch den Grades an Vertrauen in die Konformitätsbewertung selbst – z.B. das Vertrauen in:

    • Kompetenz der Organisationen und Personen, die die Konformität bewerten,
    • Reproduzierbarkeit der Untersuchungen, die zur Konformitätsaussage geführt haben,
    • Präzision von Prüf- und Messgeräten und damit Prüf- und Messergebnissen,
    • Umgang mit Aufzeichnungen und vertraulichen Informationen inkl. Datensicherheit,
    • Vergleichbarkeit von Konformitätsaussagen inkl. der Art ihrer Ermittlung und Bewertung.

    Schließlich können bei der Wahl von Art und Organisation der Konformitätsbewertung auch kommerzielle Erwägungen eine Rolle spielen, denn die Aufwendungen für die Konformitätsbewertung werden mit dem Grad der Komplexität und mit dem Umfang der notwendigen Arbeiten steigen. Anbieter-Erklärungen nach DIN EN ISO/IEC 17050, Prüfungen nach DIN EN ISO/IEC 17025, Inspektionen nach DIN EN ISO/IEC 17020 oder Produktzertifizierungen nach DIN EN 45011 mit wiederkehrenden Überwachungen werden natürlich unterschiedliche Kosten verursachen.

    Abschließend soll in diesem Zusammenhang noch einmal das Beispiel der Schadensanalyse aufgegriffen werden. Sofern diese spezielle Form der Konformitätsbewertung durchgeführt werden muss, stellt sich die Frage: „Wer führt die Schadensanalyse durch?“

    • Ein „weithin bekannter“ Experte?
    • Ein öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger?
    • Ein nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiertes Prüflabor?
    • Eine nach DIN EN ISO/IEC 17020 akkreditierte Inspektionsstelle?

    Bei dem Begriff Sachverständiger (bzw. Gutachter) handelt es sich nicht um eine geschützte Berufsbezeichnung, sondern um die Charakterisierung einer Person, die in ihrem Fachgebiet besondere Sachkunde und überdurchschnittliches Fachwissen vorweisen kann, so wie es auch von dem Personal der Inspektionsstelle gefordert wird, das für sachverständige Beurteilungen verantwortlich ist.

    Schlussendlich ist die Wahl der Person bzw. Institution, die eine Schadensanalyse durchführt, eine Frage des Vertrauens

    • in den Gegenstand der Konformitätsbewertung,
    • in die Kompetenz der Personen, die die Schadensanalyse durchführen,
    • in den Prozess der Konformitätsbewertung und in das Umfeld, in dem sie zustande kommt,
    • das beim Adressaten der Konformitätsaussage erzeugt werden soll,

    Sofern die Schadensanalyse durch eine akkreditierte Stelle durchgeführt wird, würde sich die Frage stellen „Prüflabor oder Inspektionsstelle?“ Grundsätzlich ist eine Schadensanalyse eine Sachverständigentätigkeit und damit eine Inspektionstätigkeit.

    Wenngleich Aufgaben und Kompetenz des Prüflabors nicht in der Durchführung von Inspektionen bestehen (selbst wenn Fachwissen beim Personal vorhanden ist), so ist die Durchführung von Schadensanalysen durch Prüflabore durchaus gängige, wenn auch hinterfragbare Praxis und entspricht nicht dem Gedanken der Normen DIN EN ISP/IEC 17020 und 17025.

    Losgelöst von der Frage „Prüflabor oder Inspektionsstelle?“ muss aber in jedem Falle gewährleistet sein, dass Verfahren für die Durchführung von Schadensuntersuchungen im Geltungsbereich der Akkreditierung verankert sind. Andernfalls kann die akkreditierte Stelle nicht für sich in Anspruch nehmen, im Sinne einer Akkreditierung die Kompetenz für die Durchführung von Schadensanalysen zu besitzen.

    P.S.:
    Der komplette Beitrag „Konformitätsbewertungen in der Werkstoffprüfung“ findet sich als pdf-Dokument hier

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  • 27. April 2012
    3991

    8. Teil – Schadensanalyse und Konformitätsbewertung

    Im Rahmen von Schadensanalysen werden Produkte, Einsatzbedingungen für Produkte aber auch Anforderungen an Produkte und Prozesse analysiert. Es ist daher eine naheliegende Frage, wie sich Schadensanalysen in die bisher beschriebenen Konformitätsbewertungen einordnen.

    Hilfreich ist hierbei die Richtlinie VDI 3822 des Vereins Deutscher Ingenieure. Sie beschreibt Grundlagen, Begriffe und die Durchführung von Schadensanalysen. Die VDI-Richtlinie charakterisiert einen Schaden als „Veränderungen an einem Produkt, durch die eine oder mehrere seiner vorgesehenen Funktionen wesentlich beeinträchtigt oder unmöglich gemacht werden“ und empfiehlt im Rahmen der Schadensanalyse folgendes Vorgehen:

    1. Schadensbeschreibung – u.a. Dokumentation des Schadensbildes, Dokumentation von Positionen und Maßen, Erfassung relevanter Betriebsdaten, ggf. Einordung des Schadteils in das gesamte Funktionssystem, innerhalb dessen es funktionieren soll

    2. Bestandsaufnahme – u.a. Erfassung der Rahmenbedingungen, denen das schadhafte Produkt ausgesetzt war. Erfassung der Schadteilhistorie (Fertigung, Prüfung, Einsatz, …), Bewertung der Konstruktion und des Werkstoffes, Analyse der Fertigung und der betrieblichen Nutzung,

    3. Formulierung von Schadenshypothesen als Arbeitsgrundlage für die nachfolgenden Untersuchungen und Bewertung ihrer Eintrittswahrscheinlichkeit und Nachweisbarkeit sowie ggf. Hinzuziehung von weiteren Sachverständigen für spezielle Fragestellungen,

    4. Durchführungen von Prüfungen (unter Beachtung eines Untersuchungsplans, der Wahl geeigneter Prüfverfahren und sinnhafter Probenentnahmen) mit dem Ziel, z.B. Werkstoff- und Gebrauchseigenschaften, verarbeitungsbedingte Eigenschaften und Belastungen zu erfassen,

    5. Auswertung der Prüfergebnisse und ihre Analyse hinsichtlich der Bestätigung oder Nichtbestätigung von Normen, Spezifikationen und der Schadenshypothesen sowie Entscheidung hinsichtlich Überprüfungen, Ergänzungen oder Änderungen der Punkte 2 bis 4,

    6. Ermittlung und Priorisierung der Schadensursachen und der schadensbegünstigen Einflüsse,

    7. Ableitung von Hinweisen zur Schadensabhilfe, welche sich beziehen können auf die eingesetzten Werkstoffe, die Konstruktion, die Fertigung, oder die Betriebsbedingungen,

    8. Erstellung eines Berichtes, der u.a. enthalten sollte: die Problemstellung, die durchgeführten Untersuchungen und ihre Bewertung, die Schadensursachen und Hinweise zur Schadensverhütung.

    Auch wenn die VDI-Richtlinie 3822 bezüglich der normativen Basis für die Schadensanalyse feststellt: „Als Grundlage werden die Normen DIN EN ISO 9001 und die DIN EN ISO/IEC 17025 angesehen“, so geht eine Schadensanalyse doch weit über eine Prüfung – also der Ermittlung von Merkmalen am Gegenstand einer Konformitätsbewertung nach einem Verfahren – hinaus. Die VDI-Richtlinie selbst ordnet die Schadensanalyse einer Sachverständigentätigkeit zu.

    Gegenüberstellung von Inspektion und Schadensanalyse als „Rückwärts-Inspektion“

    Betrachtet man die Schadensanalyse im Kontext der vorgestellten Konformitäts-bewertungen, so wird deutlich, dass sie eine Inspektionstätigkeit darstellt.
    Diese unterscheidet sich von der Prüfung vor allem durch die Komplexität des Bewertungsprozesses und die Bewertung nach allgemeinen Anforderungen, welche eine sachverständige Beurteilung notwendig macht.

    Eine typische Fragestellung im Rahmen der Schadensanalyse wäre „Warum versagte dieses Bauteils im Betriebseinsatz, und wie kann man das zukünftig verhindern?“ Diese Frage ist sehr artverwand mit der Fragestellung an eine akkreditierte Inspektionsstelle „Ist die Festigkeit dieses Bauteils ausreichend, um unter typischen Betriebsbedingungen zuverlässig zu funktionieren?“

    Die Schadensanalyse kann man im Kontext der verschiedenen Konformitätsbewertungen in gewisser Weise als „sachverständige Rückwärts-Inspektion“ interpretieren.

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  • 20. April 2012
    3612

    7.Teil – Konformitätsbewertung durch die nationale Akkreditierungsstelle

    In den Teilen 3, 4 und 5 wurden Aufgaben von Konformitätsbewertungsstellen (Prüflabore, Inspektionsstellen, Zertifizierungsstellen) beschrieben. Die Frage nach der Rolle der Akkreditierungsstelle im Konformitätsbewertungsprozess lautet: „Wer bewertet die Konformitätsbewerter?“

    Dies ist die Aufgabe der nationalen Akkreditierungsstelle – der Konformitätsbewertungsstelle der Konformitätsbewertungsstellen. Für die nationale Akkreditierungsstelle ist die Norm DIN EN ISO/IEC 17011 relevant.

    Die Bezeichnung „akkreditiertes Prüflabor“ bedeutet, dass dem Labor durch die Akkreditierungsstelle die Kompetenz zugesprochen wurde, Konformitätsbewertungen in Form von Prüfungen vornehmen zu können.

    Die Bezeichnung „zertifiziertes Prüflabor“ bedeutet, dass dem Labor durch eine Zertifizierungs-stelle bestätigt wurde, dass ein Managementsystem installiert ist und wirksam angewendet wird:

    • z.B. ein Qualitätsmanagementsystem nach DIN EN ISO 9001
    • oder ein Umweltmanagementsystem nach DIN EN ISO 14001
    • oder ein Arbeitssicherheitsmanagementsystem nach OHSAS 18001.

    Zertifizierung bedeutet nicht, dass dem Labor die Kompetenz zuerkannt wurde, Konformitätsbewertungen in Form von Prüfungen oder Messungen durchzuführen. Die Tätigkeit der nationalen Akkreditierungsstelle, der Deutschen Akkreditierungsstelle GmbH (DAkkS) basiert auf der EU-Verordnung Nr. 765/2008 und dem deutschen Akkreditierungsstellengesetz (AkkStelleG). Die DAkkS ist seit dem 01.01.2010 alleinige Akkreditierungsstelle in Deutschland, erfüllt hoheitliche Aufgaben und ist daher vom Bund mit den Aufgaben der nationalen Akkreditierungsstelle beliehen. An die DAkkS und ihre Mitarbeiter werden in besonderem Maße Anforderungen an Unabhängigkeit, Unparteilichkeit und Integrität gestellt. Dies nicht zuletzt wegen der Tatsache, dass sie hoheitliche Aufgaben wahrnehmen und die letzte Instanz in der „Konformitätsbewertungskette“ darstellen.

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  • 17. April 2012
    3921

    6. Teil – Konformitätsbewertung durch die akkreditierte Zertifizierungsstelle

    Die Kernkompetenz der akkreditierten Zertifizierungsstelle besteht in der Durchführung von Zertifizierungen. Das sind Konformitätsentscheidungen und -bestätigungen, ob festgelegte Anforderungen bezogen auf Produkte, Prozesse, Systeme oder Personen erfüllt werden. Zertifizierungen durch eine akkreditierte Zertifizierungsstelle sind stets Konformitätsbewertungen durch eine dritte Seite und für verschiedene Bereiche der Werkstoffprüfung relevant:

    • Prüflabore sind mitunter nicht akkreditiert, sondern nach DIN EN ISO 9001 zertifiziert durch eine Zertifizierungsstelle, die ihrerseits nach DIN EN ISO/IEC 17021 akkreditiert ist.
    • Prüfpersonal für die zerstörungsfreie Prüfung kann z.B. nach DIN EN 473 zertifiziert sein durch eine Zertifizierungsstelle, die ihrerseits nach DIN EN ISO/IEC 17024 akkreditiert ist.
    • Produkte oder Prüfverfahren können durch eine Zertifizierungsstelle zertifiziert sein, die nach DIN EN 45011 akkreditiert ist.

    In der Akkreditierungsurkunde der Zertifizierungsstelle sind die Bereiche und Verfahrengelistet, für die der Zertifizierungsstelle durch die Akkreditierungsstelle die Kompetenz bestätigt wurde. Dies ist der Geltungsbereich der Akkreditierung der Zertifizierungsstelle. Die Zertifizierung (z.B. nach DIN EN 45011) folgt dem funktionalen Ansatz der DIN EN ISO/IEC 17000 am weitgehendsten und umfasst die:

    • Ermittlung und Bewertung der Konformität eines Produktes oder Prozesses, wobei die Konformitätsbewertungskriterien eindeutig aus den im Geltungsbereich der Akkreditierung definierten Normen bzw. normativen Dokumenten hervorgehen müssen,
    • Entscheidung über die Konformität, die nicht von den Personen getroffen werden darf, die die Konformität ermittelt bzw. bewertet haben,
    • Konformitätsbestätigung in Form eines Zertifikates,
    • regelmäßige Überwachung der zertifizierten Produkte oder Prozesse.

    Für Konformitätsermittlung nach DIN EN 45011 kann die Zertifizierungsstelle auf verschiedene Untersuchungsmethoden zurückgreifen – z.B. auf Prüfungen (Erstprüfung, Überwachungsprüfung, …), auf Audits (z.B. bei der Begutachtung des Qualitätsmanagementsystems) oder auf die Bewertung von Entwicklungsunterlagen. So wie die Prüfung eine Untersuchungsmethode einer Inspektionsstelle sein kann, so kann die InspektionTeil der Konformitätsermittlung im Rahmen einer Zertifizierung sein. Eine Zertifizierungsstelle kann Tätigkeiten, wie z.B. die Konformitätsermittlung und –bewertung, im Unterauftragvergeben, jedoch ist die Kompetenz des Unterauftragnehmers durch die Zertifizierungsstelle mit geeigneten Methoden zu ermitteln, die Gesamtverantwortung für den Zertifizierungsprozess muss bei der Zertifizierungsstelle bleiben und die Konformitätsentscheidung muss durch die Zertifizierungsstelle selbst mit eigenem fachkundigem Personal getroffen werden. Da die Zertifizierung nach DIN EN 45011 nicht für einen Zeitpunkt, sondern für einen Zeitraum ausgesprochen wird, muss die akkreditierte Zertifizierungsstelle u.a.

    • Verfahren haben für die regelmäßige Überwachung der Konformität,
    • ihre Kunden verpflichten, sie über alle geplanten Veränderungen am Gegenstand der Konformitätsbewertung zu informieren,
    • Festlegungen treffen, inwieweit Veränderungen am Gegenstand der Konformitätsbewertung zusätzliche Untersuchungen notwendig machen,
    • Regelungen haben für die Verwendung von Zertifikaten und Konformitätszeichen.

    Die Anforderungen an die Zertifizierungsstelle nach DIN EN 45011 gehen insofern über die Anforderungen an die akkreditierte Inspektionsstelle hinaus, als dass es bei der akkreditierten Zertifizierungsstelle um noch mehr Unparteilichkeit und Unabhängigkeit und damit um Vertrauen geht. Das äußert sich u.a. in folgenden Anforderungen an die Zertifizierungsstelle:

    • Sie muss frei sein von äußeren Zwängen kommerzieller oder finanzieller Art, und sie müssen ihre finanzielle Stabilität und Leistungsfähigkeit nachweisen.
    • Sie und der Antragsteller für eine Zertifizierung müssen einem formalisierten Antragsverfahren folgen, welches sicherstellt, dass der Antragsteller seine eigenen Rechte und Pflichten sowie die der Zertifizierungsstelle kennt und Klarheit über den Ablauf der Zertifizierung erlangt.
    • Sie und das von ihr (auch im Unterauftrag) eingesetzte Personal dürfen im Zusammenhang mit dem Zertifizierungsgegenstand nicht beraten oder sonstige Tätigkeiten durchführen, die ihre Unabhängigkeit gefährden könnten.
    • Sie muss die Konformitätsbewertung von der Konformitätsentscheidung personell trennen.
    • Sie muss besondere Vorkehrungen für den Schutz von Aufzeichnungen und sonstigen Informationen treffen, um Vertraulichkeit zu gewährleisten.
    • Sie muss eine Aufsicht haben, die u.a. die Einhaltung der grundsätzlichen Regeln und die finanzielle Situation überwacht

    Zusammenfassend liegt der Tätigkeitsschwerpunkt einer akkreditierten Zertifizierungsstelle in der:

    • Ermittlung und Bewertung der Konformität eines Produktes oder Prozesses,
    • Entscheidung über die Konformität durch Personen, die nicht bewertet haben,
    • Ausgabe einer Konformitätsbestätigung in Form eines Zertifikates,
    • regelmäßige Überwachung der zertifizierten Produkte oder Prozesse.

    Die Konformitätsbestätigung der akkreditierten Zertifizierungsstelle gilt nicht nur für den Zeitpunkt der (erstmaligen) Konformitätsermittlung und –bewertung, sondern bei regelmäßiger Überwachung auch für Zeiträume darüber hinaus.

    Schematische Darstellung des Konformitätsbewertungsprozesses einer akkreditierten Zertifizierungsstelle

    Eine typische Fragestellung an eine akkreditierte Zertifizierungsstelle wäre: „Kann eine branchenweit anerkannte Bescheinigung ausgestellt werden, dass Bauteile aus dem Werkstoff W123, die mit dem Verfahren V456 hergestellt werden, stets die Mindestfestigkeit von XXX nach Norm N789 erreichen?“ Der Konformitätsentscheidung gehen dabei Konformitätsermittlungen voraus, die sich aus Prüfungen, Inspektionen oder Audits zusammensetzen können, und die die Analyse von Bauteilen, von Herstellungs- und Prüfprozessen aber auch von Qualitätsmanagementsystemen und Personalqualifikationen zum Inhalt haben können.

    Schematisierung der sich überlagernden Aktivitäten von Prüflabor, Inspektionsstelle und Zertifizierungsstelle (DIN EN 45011) hinsichtlich der Konformitätsermittlung

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  • 17. April 2012
    4872

    Was ist eigentlich … ein Edelstahl?

    Was verbinden wir in aller Regel mit dem Begriff Edelstahl? Und wann ist ein Stahl rostfrei und wann ist ein Stahl eigentlich „edel“, also ein Edelstahl?

    Categories MaterialtestCenter

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  • 13. April 2012
    4679

    5.Teil – Konformitätsbewertung durch die akkreditierte Inspektionsstelle

    Die Kernkompetenz der nach DIN EN ISO/IEC 17020 akkreditierten Inspektionsstelle besteht in der Durchführung von Inspektionen – also den Untersuchungen eines Erzeugnisentwurfes, eines Erzeugnisses, einer Dienstleistung, eines Fertigungs- oder Prüfprozesses bzw. einer Anlage und deren Konformitätsbewertung. Diese Konformitätswertung erfolgt für spezifische Anforderungen auf der Basis von Normen oder normativen Dokumenten und für allgemeine Anforderungen auf der Grundlage einer sachverständigen Beurteilung. Die Ergebnisse der Inspektion werden in einem Inspektionsbericht zusammengefasst.

    In der Akkreditierungsurkunde der Inspektionsstelle sind die Verfahren gelistet, für die der Inspektionsstelle durch die Akkreditierungsstelle die Kompetenz bestätigt wurde – das ist der Geltungsbereich der Akkreditierung. Wenn Prozesse (z.B. Prüfprozesse mit zerstörungsfreien Prüfverfahren in automatisierten Anlagen) inspiziert werden, kann sich die Inspektion auf Personen, Einrichtungen oder auch die Methodik erstrecken. Zu den Untersuchungsmethoden, die im Rahmen einer Inspektion angewendet werden, kann die Prüfung ebenso gehören, wie das Audit oder die Berechnung. Die für die Durchführung von Inspektionen verantwortlichen Mitarbeiter einer Inspektionsstelle werden nachfolgend Inspektoren genannt.

    Die Inspektion ist dem Wesen nach eine deutlich komplexere Konformitätsbewertung als die Prüfung und unterscheidet sich von dieser insbesondere auch darin, dass sie Sachverständigentätigkeiten einschließt.

    An die akkreditierte Inspektionsstelle werden umfassende Anforderungen bezüglich technischer Einrichtungen und Qualitätsmanagement gestellt. Die Inspektionsstelle muss über geeignete Einrichtungen und Geräte verfügen, um die Untersuchungen vornehmen zu können, die mit der Inspektion verbunden sind. Unterbeauftragungen sind zwar zulässig, aber es wird in der Norm gefordert, dass die Inspektionsstelle die vertraglich übernommenen Inspektionen möglichst selbst durchführt.

    Ein Schwerpunkt der normativen Forderungen an eine Inspektionsstelle liegt im Bereich Personal, um sicher zu stellen, dass Qualifikation und Erfahrung der Inspektoren geeignet sind, um sachverständige Beurteilungen hinsichtlich der Übereinstimmung mit allgemeinen Anforderungen treffen zu können. Die Fachkompetenz der Inspektoren bezüglich der Inspektionsgegenstände muss daher Herstellungsprozesse, Einsatzbedingungen, mögliche Fehler und Fehlerauswirkungen umfassen. Inspektoren müssen also über „Systemkenntnisse“ verfügen.

    Zentrale Bedeutung für eine akkreditierte Inspektionsstelle und deren Inspektoren haben deren Unabhängigkeit und Unparteilichkeit. Verschiede „Grade von Unabhängigkeit“ kommen in der Klassifizierung A, B und C der Inspektionsstellen zum Ausdruck:

    • Die Inspektionsstelle Typ C ist direkt an der Herstellung, Konstruktion oder Nutzung der Gegenstände, die sie inspiziert, beteiligt. Für diese Inspektionsstelle ist es ausreichend, dass die Organisation, der sie ggf. angehört, eine angemessene Trennung von Zuständigkeiten und Verantwortlichkeiten im Zusammenhang mit den Inspektionsleistungen gewährleistet.
    • Die Inspektionsstelle Typ B ist Teil einer Organisation, die Gegenstände herstellt, konstruiert, oder nutzt, welche die Inspektionsstelle inspiziert. Diese Inspektionsstelle ist aber organisatorisch eindeutig abgegrenzt und nicht involviert in die Herstellung, Konstruktion, Nutzung der inspizierten Gegenstände. Inspektionsleistungen dürfen von der Inspektionsstelle Typ B nur für die „eigene“ Organisation erbracht werden.
    • Die Inspektionsstelle Typ A ist eine unabhängige und unparteiische Stelle. Weder sie noch ihre Inspektoren sind involviert in die Herstellung, Konstruktion oder Nutzung der Gegenstände, die sie inspiziert. Für die Inspektionsstelle und ihre Mitarbeiter sind grundsätzlich Tätigkeiten ausgeschlossen, die ihre Unabhängigkeit und Integrität gefährden. Die Dienstleistung der Inspektionsstelle dieses Typs muss für alle Interessierte ohne Diskriminierung zugänglich sein.

     

    Zusammenhang zwischen Inspektionsstellen der Typen A, B, C nach DIN EN ISO/IEC 17020 und ersten, zweiten und dritten Seiten nach DIN EN ISO/IEC 17000

    Vergleicht man die Normen DIN EN ISO/IEC 17025 und 17020 miteinander, so wird deutlich, dass die Forderungen an die Inspektionsstelle insofern deutlich über die an das Prüflabor hinausgehen, als dass besondere Ansprüche an Personalkompetenz, Unabhängigkeit, Unparteilichkeit und Integrität gestellt werden. Dies ist nicht zuletzt die Konsequenz aus der Komplexität des Inspektion und der Notwendigkeit sachverständiger Beurteilungen in Bezug auf allgemeine Anforderungen. Zusammenfassend liegt der Schwerpunkt der Tätigkeit einer akkreditierten Inspektionsstelle in der:

    • Untersuchung von Erzeugnissen, Dienstleistungen, Fertigungsprozesses, Anlagen, … auf der Basis von Verfahren, für die die Inspektionsstelle akkreditiert ist,
    • Bewertung der Untersuchungsergebnisse auf ihre Konformität mit spezifischen Anforderungen oder durch sachverständige Beurteilung mit allgemeinen Anforderungen,
    • Entscheidung hinsichtlich der Konformität, wobei es üblicherweise keine Trennung gibt, zwischen den Personen, die bewerten, und denen, die entscheiden,
    • Erstellung eines Inspektionsberichtes, der die Konformitätsaussagen beinhaltet und dessen Konformitätsbestätigung für den konkreten Inspektionsgegenstand und für den Zeitpunkt der Inspektion gilt.

    Eine Übertragung der Aussagen des Inspektionsberichtes auf andere, Erzeugnisse, Anlagen, oder Fertigungsprozesse als die, die durch den Inspektionsgegenstand repräsentiert werden oder auf andere Zeiten („Extrapolation“ in die Zukunft) ist nicht zulässig.

    Schematische Darstellung des Konformitätsbewertungsprozesses einer akkreditierten Inspektionsstelle

    Eine typische Fragestellung an eine akkreditierte Inspektionsstelle wäre: „Ist die Festigkeit dieses Bauteils ausreichend, um unter typischen Betriebsbedingungen zuverlässig zu funktionieren?“ Gegenstand der Inspektion wäre es dann u.a. auch, die Begriffe „typisch“ und „zuverlässig“ zu spezifizieren und in eine sachverständige Beurteilung einzubeziehen.

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  • 27. Februar 2012
    11957

    Wie funktioniert eigentlich … Ultraschallprüfung?

    Bei der Ultraschallprüfung wird Schall zur Analyse von Entfernungen, dem Innenleben und den Eigenschaften von Werkstoffen und Bauteilen eingesetzt. Das klingt abstrakt, aber das hat jeder schon im Alltag gemacht: Das Klopfen gegen eine Wand, um dünne Stellen aufzufinden; das Werfen eines Steines in einen Schacht, um die Tiefe zu bestimmen, oder das Zählen der Sekunden zwischen Blitz und Donner, um die Entfernung zum Gewitter zu berechnen – all das ist nichts anderes als der Einsatz von Schall und Schallechos.

    Was aber ist Schall? Alle Stoffe sind aus mehr (Festkörper) oder weniger (Gase oder Flüssigkeiten) dicht gepackten Atomen oder Molekülen zusammengesetzt. Versetzt man diesen einen Impuls, dann „stößt“ jedes Teilchen mit seinen Nachbarn zusammen und übergibt dabei seine Impulsenergie. Dieses Prinzip kann man auch bei den Kugeln eines Billardspiels beobachten. Der Impuls-Effekt breitet sich durch den Stoff aus, und eine Dichteschwankungwandert durch den Körper. Die Teilchen selbst bewegen sich dabei nur um ihre Ruhelage – sie schwingen wieder an ihren Ausgangsort zurück – aber die Energie des Impulses wird durch das ganze Medium weitergeleitet. Eine Schallwelle – also eine periodische Dichteschwankung im Werkstoff – ist entstanden.

    Abb. 1: Ausbreitung einer Schallwelle: Teilchen links wird durch einen Impuls (orange) in Schwingung versetzt, stößt gegen seinen Nachbarn, der den Impuls wieder an seinen Nachbarn weitergibt. Anschließend schwingen die Teilchen in ihre Ausgangslage zurück (grau).

    Über kurz oder lang trifft die Schallwelle auf ein Hindernis – die Oberfläche des Werkstückes oder einen Materialfehler. Die Welle wird dort als Echo zurückgeworfen (auch hier analog zur Billardkugel, die an der Bande zurückgeworfen wird und weiter über den Tisch rollt) und von einem Empfänger aufgenommen. Im menschlichen Körper ist das das Trommelfell, in der Ultraschallprüfung der Sensor des Prüfkopfes.

    Kennt man die Schallgeschwindigkeit, so kann man aus der Dauer der Bewegung des Schalls auf zurückgelegte Entfernungen schließen und z.B. Wand- oder Schichtdicken bestimmen. Hat man eine Referenz (weiß man also, welche Ultraschall-Signale ein fehlerfreies Werkstück liefern sollte) und erhält aber andere Signale, dann kann man dadurch auf Fehler im Bauteil schließen.

    Bleiben wir bei unserer Billardkugel: Beim Rollen über den Tisch wird sie langsamer und bleibt schließlich stehen; Ursachen sind Energieverlust an der Bande und Reibung durch das Tischtuch und die Luft. Das gleiche geschieht mit unserer Schallwelle: Bei Reflektionen an Wänden und Hindernissen verliert sie Energie, während des Weges durch das Werkstück streut der Schall am Gefüge (in zufällige Richtungen verteilt) und wird absorbiert (vom Gefüge „geschluckt“). Zusätzlich breitet sich der Schall immer weiter in alle Richtungen aus, die vorhandene Energie verteilt sich auf immer größere Flächen. Wie auch im Alltag wird mit zunehmender Entfernung der Schall immer schwächer wird, verliert sich der Ultraschall im Werkstück nach einer gewissen Zeit und Strecke.

    Alle Verluste zusammen bilden die Schallimpedanz – den Schallwiderstand. Bei der Ultraschall-Prüfung werden dadurch die Signale bei langem Schallweg oder starker Schallschwächung immer kleiner, und die Auswertung wird komplizierter.

    Abb. 2: Signaldarstellung mit einem Senkrechtprüfkopf. Links: Prüfsituation, Rechts: Bildschirmdarstellung. Sendeimpuls (rechtes Bild, links), Fehlerecho (rechtes Bild, Mitte) und Rückwandecho (rechtes Bild, rechts).

     

    Die Ultraschall-Prüftechnik

    Ultraschall arbeitet mit Frequenzen außerhalb des menschlichen Hörvermögens – üblicherweise 2-4 MHz, also 2-4 Millionen Schwingungen pro Sekunde (zum Vergleich: Menschen nehmen Schwingungen zwischen 16 und 16.000 Hz wahr). Im menschlichen Körper wird das Senden (durch die Stimmbänder) und das Empfangen (durch das Trommelfell) von Schallwellen arbeitsteilig erledigt. Bei der Ultraschallprüfung gibt es Prüfköpfe, die ebenso arbeitsteilig funktionieren, aber auch solche, die sowohl senden, als auch empfangen.

    Realisiert wird dies durch piezoelektrische Kristalle. Legt man an diese einen elektrischen Wechselstrom an, fangen die Kristalle an hochfrequent zu schwingen. Dadurch erzeugt der Prüfkopf Schallwellen, wenn er auf einem Bauteil liegt und angekoppelt wurde. Ankopplung bedeutet, durch ein Koppelmittel (z.B. Wasser, Kleister oder Öl) einen nahtlosen Übergang des Schalls aus dem Prüfkopf in das Werkstück zu ermöglichen. Findet die Schallwelle den Weg zurück zum Kristall, versetzt sie ihn in Schwingung, und dabei erzeugt der Kristall selbst einen elektrischen Strom, der vom Gerät registriert und in ein Messsignal umgewandelt wird. Je stärker dabei der Schall ist, umso stärker die erzeugte Schwingung, und umso stärker das elektrische Signal.

    Der Ultraschall-Prüfkopf

    Der Sensor in der UT-Prüfung ist der Prüfkopf. Nach Anwendungsgebiet können verschieden große Prüfköpfe, Frequenzen und Typen verwendet werden. Für sehr kleine Bauteile werden z.B. häufig sog. Miniatur-Prüfköpfe mit einem ca. 10mm großen Schwingerdurchmesser verwendet. Für sehr präzise Messungen wählt man in der Regel hohe Prüffrequenzen (die zu kleineren Ultraschall-Wellenlängen und damit höherer Genauigkeit führen).

    Die zuvor dargestellte senkrechte Einschallung (Senkrechtprüfkopf – SPK) ist der simpelste Fall; häufig lässt die Geometrie dies aber nicht zu. Für besonders dünne Bauteile oder die Prüfung im Oberflächenbereich werden Sender-Empfänger-Prüfköpfe (SE-PK, getrennte Sende- und Empfangselemente) verwendet, die die Bereiche unmittelbar unter der Bauteiloberfläche prüfen. Macht die Geometrie eine schräge Einschallung nötig, werden Winkelprüfköpfe (WPK) verwendet, z.B. bei der Nahtprüfung an Schweißnähten.

    Abb. 3: Winkelprüfkopf mit Schrägeinschallung für die Rissprüfung an der Gegenfläche (links).
    Blechdickenmessung mit einem Sender-Empfänger-Prüfkopf (rechts).

    Winkelprüfköpfe haben eine weitere Besonderheit: Sie arbeiten mit einer anderen Wellenart als Senkrecht- oder SE-Prüfköpfe. Senkrecht- und SE-Prüfköpfe verwenden hauptsächlich Longitudinalwellen, Winkelköpfe dagegen hauptsächlich Transversalwellen. Dabei handelt es sich um unterschiedliche Ausbreitungsarten von Schallwellen in einem Medium. Longitudinalwellen breiten sich in Schwingungsrichtung aus, kommen in allen Medien vor und sind (im selben Material) schneller als Transversalwellen. Einer Longitudinalwelle entspricht in etwa die Bewegung von Menschen beim Schunkeln. Bei Transversalwellen schwingen die Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Schallwelle, sie treten nur in Feststoffen auf und sind (im selben Material) langsamer als Longitudinalwellen. Einer Transversalwelle entspricht die Bewegung einer Laola-Welle in einem Fußballstadion.

    Ein Vergleich der Größenordnungen der Schallgeschwindigkeiten:

    • Luft 330 m/s (Longitudinal)
    • Wasser 1480 m/s (Longitudinal)
    • Schmiedestahl 5920 m/s (Longitudinal)
    • Schmiedestahl 3255 m/s (Transversal)

    Abb. 4: Erzeugung einer Longitudinalwelle durch einen Hammerschlag auf die Stirnseite eines Stabes (oben).
    Erzeugung einer Transversalwelle durch einen Hammerschlag auf die Längsseite es Stabes (unten).

     

    Wie sehen Ultraschall-Signale am Prüfgerät aus?

    Die eigentliche Signal-Darstellung am Ultraschall-Prüfgerät ähnelt der eines Oszilloskops. Aus der Position des Signales kann die Entfernung zum Reflektor (Wand, Materialfehler, …) abgeleitet werden, aus Form und Größe (und mit Prüferfahrung) auch die Art des Reflektors (Riss, Lunker, …) In vielen Fällen kann ein erfahrener Ultraschallprüfer einen Flankenbindefehler (fehlende Verschweißung) von einer Pore (Gaseinschluß), einem Lunker (Schwindungsholraum durch Abkühlen von Gußteilen) oder von Dross (Ablagerungen im Guß, die zur Oberfläche aufsteigen) unterscheiden. Die folgende Abbildung zeigt einige mögliche Signalformen und –Arten, die bei der Ultraschallprüfung gefunden werden können.

    Abb. 5: 1. Senkrechteinschallung mit deutlichem Sendeimpuls, Fehlersignal und Rückwandecho,
    2. Schrägeinschallung mit großem Fehlersignal und üblicherweise sind weder Sendeimpuls noch Rückwandecho sichtbar,
    3. Viele Fehlersignale mit geschwächtem Rückwandecho; der Sendeimpuls fehlt auch hier, da Prüfung mit SE-PK,
    4. Ein Lunker im Bauteil absorbiert bzw. streut den Schall. Weder Fehler- noch Rückwandecho sichtbar.

    Eine 100%ige Aussage – der Fehler ist genau dort und ist exakt so groß – ist mit konventionellem Ultraschall (im Gegensatz zu bildgebenden Verfahren wie z.B. VT oder RT) zwar nicht möglich, in der Praxis kann aber zuverlässig auf wenige Zehntelmillimeter genau gemessen werden.

    Was wird mit der Ultraschallprüfung bewertet?

    Wie in allen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung wird auch bei der Ultraschallprüfung anhand von Referenzen geprüft – eine Anzeige wird in Bezug auf bereits bekannte Justiergrößen bewertet. Für eine Wanddickenmessung wird daher im Vorfeld an bekannten Dicken des gleichen Materials justiert, die ähnliche Maße aufweisen wie das Prüfobjekt; für eine Schweißnahtprüfung werden Vergleichskörper verwendet, deren Material, Geometrie und Referenzfehler dem Prüfobjekt ähneln.

    Wird auf Fehler geprüft, kennt das Verfahren zwei wesentliche Bewertungsmaßstäbe – DAC und AVG. Bei der DAC-Methode (Distance Amplitude Correction – Korrektur der Amplitude in Abhängigkeit zur Entfernung) wird eine Vergleichskurve am Gerät aufgenommen, die die Ultraschallechos eines Referenzfehlers für verschiedene Schallwege darstellt – z.B. für Schallwege von 20mm, 40mm, 60mm, 80mm und 100mm. Anschließend wird der Prüfgegenstand untersucht, und die dort gefundenen Signale werden unter Beachtung der jeweiligen Reflektortiefe (Entfernung) mit den Referenzechos verglichen.

    Die AVG-Methode (Abstand, Verstärkung, Größe) nimmt ebenfalls eine Kurve auf – allerdings rein rechnerisch anhand von physikalischen Gesetzen, die die Veränderung von Signalen in Bezug auf Entfernung und Größe beschreiben. Der Prüfer hat hier weniger zu tun – moderne Geräte machen hier fast die „ganze Arbeit“. Während aber DAC für fast alle Materialien, Prüfköpfe und Geometrien funktioniert, findet man die Anwendung von AVG häufig nur bei „normalen“ Prüfköpfen, Werkstücken aus Stahl und einfachen Geometrien.

    Abb. 6: DAC-Methode: Mit zunehmender Tiefe werden die Schallwege (Entfernungen zum Reflektor) immer größer und die Signale immer kleiner. Die orange Linie ist die DAC-Kurve und wird auf dem Bildschirm abgebildet.
    Alle Folgeanzeigen werden danach bewertet, ob sie über oder unter dieser Kurve liegen.

     

    Fazit / Ausblick

    Die UT-Prüfung ist ein flexibles Werkzeug der zerstörenden Werkstoffprüfung. Von der Rissprüfung über Schichtdickenmessungen bis hin zu Wanddickenmessungen können viele Prüfaufgaben realisiert werden. Für die Lösung verschiedener Prüfaufgaben kann ein einziges Gerät und ein Satz jeweils passender Prüfköpfe eingesetzt werden. Ein entsprechend ausgerüsteter Prüfer kann schnell auf verschiedene Situationen und Anforderungen reagieren. Durch Verfahren wie die Gruppenstrahler-Prüfung oder TOFD nehmen die Genauigkeit und die Bandbreite der Anwendungsmöglichkeiten der Ultraschallprüfung weiter zu.

    Categories TrainingCenter, Zerstörungsfreie Prüfung

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  • 30. Januar 2012
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    Zur Erinnerung an John Bardeen

    Zur Erinnerung an John Bardeen

    Heute jährt sich der 20. Todestag des Physikers John Bardeen. Da könnte man fragen: „John wer … ?“

    Newton und Einstein sind vielen Menschen ein Begriff, doch Bardeen, der ohne Zweifel zu den Allergrößen seines Faches gehört, ist zu Unrecht eher unbekannt. Dabei hat er in mehrfacher Hinsicht Überragendes geleistet.

    Bardeen war Festkörperphysiker und einer der Erfinder des Transistors. Für diese überragende Leistung in der Experimentalphysik erhielt er zusammen mit seinen Kollegen 1956 den Nobelpreis für Physik. Die Erfindung des Transistors schuf die Grundlage für das Computerzeitalter und bestimmt heute wie kaum eine andere wissenschaftliche Leistung unseren Arbeits- und Lebensalltag.

    Bardeen leistete darüber hinaus Außergewöhnliches auf dem Gebiet der theoretischen Physik. Für die quantentheoretische Erklärung der Supraleitung erhielt er zusammen mit (anderen) Kollegen 1972 ein zweites mal den Physiknobelpreis. Die sogenannte BCS-Theorie (BCS steht für die Anfangsbuchstaben der Namen der drei Entdecker) beschreibt das kollektive Verhalten von Elektronen in Festkörpern und gehört zu den quantenphysikalischen Meisterleistungen der Physik.

    Was macht die Leistungen von Bardeen so bemerkenswert?
    Er ist bis heute der einzige Mensch, dem zweimal der Physiknobelpreis verliehen wurde. Er hat Großes sowohl auf theoretischem als auch auf praktischem Gebiet geleistet. Seine Leistungen ragen selbst unter den nobelpreiswürdigen Arbeiten noch ein stückweit heraus. Die Auswirkungen seiner wissenschaftlichen Forschung sind wie ganz wenige andere Entdeckungen und Erfindungen heute unmittelbar in unserem Leben zu spüren. Was wären wir ohne Computer, Smartphones und Netzwerke …?

    Dennoch ist Bardeen außerhalb seiner Zunft weitgehend unbekannt. Wie viele Follower hätte Bardeen beispielsweise heute auf Twitter? Lady Gaga hat über 18 Millionen …

    Categories Allgemein, TrainingCenter

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  • 27. Januar 2012
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    Fachliteratur zum Thema Werkstofftechnik und Materialprüfung

    Jeder der sich für eine Aus-oder Weiterbildung im Bereich Werkstofftechnik oder Materialprüfung entschieden hat, steht früher oder später vor der Frage: Welche geeignete Fachliteratur gibt es? Dabei ist natürlich zwischen der Fachliteratur für Berufsstarter, Technikern sowie Ingenieuren und Wissenschaftler zu unterscheiden. Ich konzentriere mich hier auf die Berufseinsteiger und diejenigen, die sich für eine Weiterbildung interessieren. Für diese Gruppe habe ich eine kleine Liste von Buchtiteln zusammengestellt, die man problemlos im gutsortierten Online-Fachhandel oder beim Buchhändler seines Vertrauens bekommt.

    Ich fange direkt mal mit dem teuersten Buch an, denn es ist zugleich ein sehr fachspezifisches.
    Mit ca. 90 Euro ist das Buch Zerstörungsfreie Werkstück- und Werkstoffprüfung von Prof. Dr. Siegfried Steeb und seinen 11 Co-Autoren zwar nicht grade günstig, aber thematisch und fachlich ein wahres Füllhorn an Wissen. Auf über 550 Seiten werden die einzelnen Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung praxisgerecht dargestellt und verständlich erläutert – bis hin zu der Kombination diverser Verfahren und dem Einsatz bei der extrem anspruchsvollen Flugzeugüberwachung. Dieses Buch kann man ruhigen Gewissens empfehlen auch wenn mancher Abschnitt etwas holprig daher kommt und alles andere als eine Bettlektüre ist. Die ISBN-13 Nummer: 9783816928522

    Fachkunde Metall – Ursprünglich für Auszubildende konzipiert, ist es heute eher ein Buch, das sich an angehende Techniker und Meister richtet. Ausreichende Kenntnisse der Metall-Grundbegriffe werden beim Lesen zwingend vorausgesetzt. Sind diese vorhanden, sind auch die zahlreichen Grafiken und Abbildungen sehr gut verständlich.
    Insgesamt ist das Buch sehr „industriemechaniker-lastig“, deckt aber auch noch genügend andere interessante Metall-Gebiete ab und ist dabei immer gut und verständlich erklärend. Es ist ein Fachbuch für Praktiker die nach mehr streben. Auch hier gilt das Konzept des Europa Verlages: In regelmäßigen Abständen bekommt das Buch ein „update“. Auch nach Jahren lohnt sich also immer wieder ein Neukauf.
    ISBN-13: 978-3808511565, ab 36 Euro zugegeben nicht günstig, aber eine gute Investition.

    Nach der Lektüre dieses Buches ist man garantiert kein „Dummie“ mehr – klar strukturiert und anschaulich geschrieben. Empfehlenswert ist das Buch insbesondere für Schnell- und Quereinsteiger, weil es viele Grundlagen, die man sich im „normalen Berufsleben“ kaum zu fragen traut, ausführlich erklärt.
    Nach diesem Prinzip werden auch die Formeln hergeleitet und dürften so einprägsam im Gedächtnis bleiben. Das Buch ist sehr gut geeignet für Auszubildende und als Vorbereitung für Weiterbildungen zu empfehlen. Ich bin mir sehr sicher, das viele Techniker und Ingenieure dieses Buch im Schrank oder Regal stehen haben, ohne es „offen zuzugeben“. Ist ein echter Geheimtipp, wenn bloß der Titel nicht so abschreckend wäre …
    Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies Autor: Rainer Schwab / ISBN-13: 978-3527706365 und Preis ab ca. 25 Euro.

    Wärmebehandlung des Stahls – Das Buch überzeugt mich durch seine zahlreichen Abbildungen, die das komplexe Thema Wärmebehandlung erst so richtig begreifbar machen. Obwohl nur in schwarz/weiß (ich kenne nur die Auflage 2006)– und nicht so bunt wie manch anderes Buch, sind es gerade diese Grafiken dieses Buches, die sich in meinem Gedächtnis festgesetzt haben. Hinzu kommt ein klarer und sachlicher und eher nüchterner Sprachstil.
    Wer schnell lernen will, wird mit diesem Buch sicher bestens zurecht kommen. Das belegt auch die Tatsache, dass dieses Buch sehr oft an weiterführenden Berufsschulen in vielen Seminaren und Weiterbildungen eingesetzt wird. Daher: Bestnoten für dieses Buch.
    ISBN-13:978-3808513101 (5.Auflage)

    Dieses Buch ist zugegebenermaßen eher ein Nachschlagebuch, als denn eine spannende Lektüre – aber als solches eine sichere Bank. In der älteren Ausgabe bestand fast noch die Hälfte des Buches aus dem Tabellenteil, in wie weit sich das in der neuen Ausgabe geändert hat, kann ich gar nicht sagen?!?
    Das große Plus des Buches sind die farbigen Abbildungen – die es besonders einfach machen, „Neulingen“ etwas nahezubringen. Diese Empfehlung ist mit 30 Euro nicht gerade ein Schnäppchen, sollte aber in keinem gutem Bücherregal einer Werkstatt fehlen, besonders wenn man Auszubildende hat.
    Die ISBN-13 Nummer: 978-3808515457 der 2011 = 5. Ausgabe von Werkstofftechnik für Metallbauberufe

    Werkstofftechnik: Werkstoffe – Eigenschaften – Prüfung – Anwendung(Autor: Seidel, Hahn) Dieses Buch ist unbestritten einer der Klassiker der Szene und das meiner Meinung nach auch zu Recht. Mit den lernzielorientierten Tests, die jedem Kapitel angefügt sind, gibt es eine ideale (Selbst-)Kontrolle.
    Das Buch kann man ohne schlechtes Gewissen allen empfehlen – für den interessierten Auszubildenden, aber auch für den angehenden Techniker. Selbst Meister und Ingenieure schwören auf dieses Buch. Es ist wirklich verständlich geschrieben und beantwortet so gut wie alle typischen Prüfungsfragen, mit denen man zwangsläufig irgendwann konfrontiert ist.
    Der Preis ist mit knapp 25 Euro durchaus noch im Rahmen und für alle erschwinglich. ISBN-13: 978-3446407893

    Aufgabensammlung Werkstoffkunde (Autoren: Weißbach, Dahms) – Kein Fachbuch im „normalen“ Sinn, sondern ein reines Übungsbuch für diejenigen, die sich gern selber quälen oder vor Prüfungen einfach auf „Nummer sicher“ gehen wollen. Das Buch richtet sich allerdings hauptsächlich an Studenten und angehende Techniker.
    Es hat schon ein ganz sehr gehobenes Niveau, und für dieses Buch braucht man den unbedingten Willen, sich selbst prüfen und korrigieren zu wollen. Das Buch ist nicht ohne ein anderes Lehr- oder Übungsbuch anwendbar, denn es füllt keine Wissenslücke. Unter diesen Gesichtspunkten ist es „ganz gut“.
    Die ISBN-13: 978-3834805324

    Industrielle Fertigung. Fertigungsverfahren (Autor: Dietmar Schmid) Wie der Titel schon andeutet, ein Buch das sich besonders auf den Entstehungsprozess von Bauteilen bezieht und aus dieser Perspektive die Fertigungsverfahren beschreibt und begründet. Es ist Interessant und sehr spannend geschrieben, beleuchtet aber nur ein Teilaspekt der meisten allgemeinen Metallberufe.
    Das Buch ist daher auch für die Ausbildung nur bedingt tauglich. Es ist als Ergänzung sicherlich gut geeignet und eine optimale Alternative zu den gängigen Lehr- und Fachbüchern. Das Buch behandelt in der Breite die Themengebiete: Herstellung von metallischen Werkstücken, Herstellung von Werkstücken aus Kunststoffen, Keramik und Glas, Techniken der Oberflächenmodifikation und Fügen. Zusammenfassend ist es sicherlich sehr gut und eine „gehobene Pflichtlektüre“ für Materialprüfer und Werkstofftechniker.
    Die aktuelle ISBN-13: 978-3808553527

    Werkstofftechnik Maschinenbau: Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen (Autoren: Drube, Kammer, Läpple, Wittke) Manche schwören auf dieses Buch – denn sie kommen mit seiner Strukturierung und dem Aufbau sehr gut zurecht. Es ist nicht nur etwas für Studenten an der FH / Uni, sondern auch für angehende Werkstoffprüfer eine interessante und wichtige Informationsquelle. Manchmal kommt es etwas trocken und theoretisch daher, ist aber dafür sehr ausführlich und umfassend. Ideal ist es auch zum Selbststudium und zur Prüfungsvorbereitung (auch für Ausbilder & Dozenten) geeignet.
    Ich empfehle, die Buchausgabe mit CD zu wählen, da so die beste Kontrolle für zu Hause garantiert ist.
    Dieses Buch ist mein Geheimtipp Nummer 2 und in jedem Fall sein Geld wert, weil es für fast alle Metallberufe etwas bietet. ISBN-13: 978-3808552636

    Grundlagen der Werkstofftechnik (Autoren: Riehle, Simmchen) Mit fast 60 Euro eines der teuren Bücher in der Liste. Eine der Stärken des Buches ist, das sehr genau und präzise auf die Werkstoffprüfungsverfahren eingegangen wird. Das ist für Materialprüfer und Werkstofftechniker sicher sehr interessant. Alle anderen Themen kommen zwar nicht zu kurz, stehen aber nicht so sehr im Fokus. Daher ist hier das Preis–Leistungs-Verhältnis zu bedenken.
    Das Buch lohnt sich sicher für Interessierte mit dem Weiter- oder Ausbildungsschwerpunkt Werkstofftechnik. Für alle anderen stellt es eine gute Ergänzung dar, vor allem im Studium.
    Die ISBN-13: 978-3527309535

    Was man hin und wieder mal braucht und dann meist nie zur Hand hat, ist ein gutes Wörterbuch für Techniker – in diesem Fall für „Metaller“. Und damit sind bei diesem Buch nicht nur die Ingenieure des Fachs gemeint.
    Das „Plus“ des Buches: Neben den Begriffen sind auch die gängigen Redewendungen in Lautschrift dargestellt. Damit fühlt man sich bei der Anwendung sicher und ist auch bei Telefonanrufen gewappnet und vorbereitet. Eine Umrechungstabelle für englische und amerikanische Maße rundet den Inhalt des Buches ab.
    Für 13 Euro kein „Fehlkauf“ für alle, die per E-Mail oder Telefon auch mal Fragen aus dem Ausland beantworten müssen. ISBN-13: 978-3142225043

    Vorbereiten auf Ausbildung und Beruf Ein Buch für all jene, die noch ganz am Anfang stehen oder erst noch austesten, ob ihnen das Berufsfeld überhaupt zusagt.
    Ich gebe dieses Buch immer jungen Menschen in die Hand, die „irgendwas mit Metall machen wollen“ und sich noch in der Berufsfindungsphase befinden.
    Wer bei der Lektüre leuchtende Augen bekommt, ist schon mal einen Schritt weiter in Richtung Werkstofftechnik.
    ISBN-13: 978-3142905006

    Ein „Klassiker“ und anerkannte Basis des Berufsfeldes: Der Stahlschlüssel.
    Hier gilt für die (Hand-) Taschenbuchausgabe: „Klein, aber OHO!“, was die Informationsfülle angeht. Auch wenn die zahlreichen Tabellen am Anfang etwas abschreckend wirken, so gibt dieses handliche Taschenbuch sehr übersichtlich und umfangreich Auskunft über die Zusammensetzung der meistgebrauchten Stahlsorten. Es werden im Buch außerdem diverse alte und neue Normen gegenübergestellt, so dass man ausführlich über Zusammensetzung, Eigenschaften und Wärmebehandlung informiert wird.
    Den Stahlschlüssel gibt es als Taschenbuch in unterschiedlichen Ausführungen (gebunden, broschiert etc…), und er kostet meist zwischen 12-15 Euro. (ISBN-13 dieser Ausgabe: 978-3922599258)

    Ebenfalls ein Klassiker und bei den Rezensionen stets hoch gelobt: Das Tabellenbuch Metall (mit Formelsammlung / Broschiert / Autor: Ullrich Fischer). Ähnlich dem Stahlschlüssel ist es vollgepackt mit Formeln, erweitert um Kurzerklärungen und dient somit dem schnellen Auffinden von Infos die man zum arbeiten braucht. Somit ideal für Auszubildende und all jene die in beruflichen Praxis schnell Informationen recherchieren müssen.
    Was ich daran gut finde: In diesem Buch wird in den jeweiligen Ausgaben auf die neusten Verfahren und Änderungen in den Metallberufen eingegangen. Beim Neukauf ist man damit immer gut am Puls der Zeit. Das Buch ist nach meiner Meinung immer sein Geld wert.
    ISBN-13: 978-3808517253 / Preis: ab 25 Euro in der Grundversion. Das Buch gibt es in verschiedenen Varianten – als XXL Version mit umgestellten Formeln, als Version mit Aufgaben und Lösungen, jeweils mit und ohne CD. Diese Varianten haben aber je nach „Ausstattung“ einen entsprechend höheren Preis.

    Abschließend und sicherheitshalber gebe ich noch den folgenden Hinweis: Die Liste spiegelt mein subjektives Empfinden wieder und beruht auf persönlichen Eindrücken.
    Und noch ein kleiner Tipp am Rande: Bei einigen Online-Händlern kann man auch gebrauchte Ausgaben eines Buchs erwerben. Das kann die Kosten je nach Buch erheblich senken. Bei einigen Onlinehändlern kann man auch einen Blick ins Buch werfen und sich so vorab schon mal einen Eindruck verschaffen.
    Ich freue mich aber über jede Art von weiteren Hinweisen und Ergänzungen der Liste, sowie auch über konstruktive Kritik zu den vorgestellten Büchern.
    Gern können auch interessante Magazine und Fachzeitschriften vorgestellt werden.

    Categories TrainingCenter, Weiterbildung

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  • 20. Januar 2012
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    Wie funktioniert eigentlich … magnetische Hysterese? (Teil 2 – Mathematik)

    Im ersten Teil des Blogbeitrages haben wir die magnetische Hysterese ferromagnetischer Werkstoffe als das Ergebnis des Zusammenspiels eines äußeren Magnetfeldes H und der magnetischen Flussdichte B, die die Vorgänge im Inneren des Ferromagneten beschreibt, kennengelernt.

    Wir haben im Teil 1 gesehen, dass der Begriff Hysterese (griechisch hysteros: Verzögerung, Verzug) darauf zurückzuführen ist, dass die Flussdichte B der äußeren Feldstärke H zeitlich verzögert folgt. Das passiert, weil die Weißschen Bezirke im Ferromagneten, deren Änderung die Flussdichte beschreibt, dem äußeren Magnetfeld nur dann folgen können, wenn ihnen genügend Energie zur Verfügung steht, um innere Widerstände zu überwinden.

     

    Abb. 1: Neukurve (NK) und Hysteresekurve (HK) eines Ferromagneten

    Nachdem wir die Hysteresekurve im ersten Teil physikalisch erklärt haben, wollen wir nun außerdem noch die Mathematik zu Hilfe nehmen, um die Eigenschaften von Hysteresekurven genauer zu analysieren. Alle Bilder in diesem Blogbeitrag wurden übrigens mit Hilfe einer Excel-Tabelle erstellt. Wir starten mit Abb. 1, die uns die Neukurve und die Hysteresekurve eines Ferromagneten zeigt. Ein gutes mathematisches Modell sollte uns folgendes liefern und erklären:

    • Form und Verlauf der Neukurve
    • Form und Verlauf der Hysteresekurve
    • Hysteresekurven unterschiedlicher Breite für Weich- und Hartmagnete

    Für die Erzeugung einer Hysteresekurve benötigen wir ein magnetisches Feld H, das seine Größe und Richtung ändert. Das können wir durch eine wechselstromdurchflossene Spule erzeugen – das Feld H hat dann einen sinusförmigen Verlauf. Wir nehmen zunächst einmal an, dass die Flussdichte B den „Kommandos“ der Feldstärke H umgehend (also ohne Verzug) folgt und daher einen sehr ähnlichen Verlauf hat. Mathematisch bedeutet das:

    H = Ho · sin(t) und B = Bo · sin(t)

     

    Abb. 2: sinusförmiger Verlauf von H und B ohne Phasenunterschied (ohne zeitliche Verzögerung)

    In Abb. 2 ist links der Zeitverlauf von H und B dargestellt. Da für H und B der Einfachheit halber eine identische Skalierung angewendet wurde, liegen beide Sinuskurven aufeinander. Rechts ist die Flussdichte B über der Feldstärke H aufgetragen und wir finden einen linearen Zusammenhang: Erhöht sich H, erhöht sich auch B. Ist H maximal, ist es auch B. Nimmt H ab, nimmt auch B ab, … Wir „laufen“ also einfach auf einer geneigten Linie hoch und runter (schwarzer Pfeil). Das hat nichts mit Hysterese zu tun.

    Jetzt bauen wir die zeitliche Verzögerung zwischen magnetischer Flussdichte B dem Magnetfeld H in unsere Formeln ein, indem wir in die Sinusfunktion für das B-Feld eine Phasenverschiebung (Zeitverschiebung) φ einfügen:

    H = Ho · sin(t) und B = Bo · sin(t + φ )

    Die Phasenverschiebung φ ist die „Zusatzzeit“, die die Flussdichte B wegen der Hysterese benötigt. Die Abb. 3 und 4 zeigen den Zusammenhang von H und B für Phasenverschiebungen von 1/20 Periode bzw. 1/10 Periode. Bezogen auf eine 50Hz-Wechselgröße (Periodendauer 20 ms) bedeuten diese Werte eine zeitliche Verzögerung der „Reaktion“ der Flussdichte B gegenüber den „Kommandos“ der Feldstärke H von 1 ms bzw. 2 ms.

    Abb. 3: sinusförmiger Verlauf von H und B mit einer Phasenverschiebung φ von 1/20 Periode

    Abb. 3 und 4 liefern uns jetzt in der Tat Hysteresekurven- also Kurven, die eine Fläche umschließen. Allerdings sehen diese ellipsenförmig aus und nicht „viereckig“ – das „ändern“ wir weiter unten noch … Vergleichen wir Abb. 3 und 4 mit Abb. 1, so erkennen wir zwei Sachverhalte wieder:

    • Wir haben in allen drei Fällen Hysteresekurven, auch wenn sich die Kurvenformen unterscheiden. Die Entstehung der magnetischen Hysterese hat in der Tat damit zu tun, dass die magnetische Flussdichte B dem äußeren Magnetfeld H zeitlich verzögert folgt (Phasenverschiebung φ ).
    • Je größer die zeitliche Verzögerung zwischen B und H, desto breiter werden offensichtlich die Hysteresekurven. Weich- bzw. hartmagnetisches Verhalten lässt sich also berechnen.

     


    Abb. 4: sinusförmiger Verlauf von H und B mit einer Phasenverschiebung φ von 1/10 Periode

    Wollen wir die Neukurve und das Sättigungsverhalten erklären, so müssen wir uns von dem Gedanken trennen, dass die magnetische Flussdichte B ebenso wie die Feldstärke H einen sinusförmigen Verlauf hat. Wir nehmen für B einen eher „kastenförmigen“ Verlauf an (Abb. 5) – diese Annahme wird einige Absätze weiter unten begründet. Mathematisch machen wir das, indem wir 5 Sinus-Funktionen verschiedener Ordnung (t, 3t, 5t, …) und unterschiedlicher Amplituden (B1, B3, B5, …) kombinieren. Auf eine Phasenverschiebung φ können wir zunächst verzichten.

    Man kann je nach Art und Anzahl der Sinusfunktionen beliebige Formen „erzeugen“: kastenförmige, dreieckige, kreisförmige, … Warum wurden hier gerade fünf Sinusfunktionen verwendet? Weil die Fünf ausreichend waren, um den dargestellten (und recht gut gelungenen) „Kasten“ zu erzeugen – vier hätten dafür nicht gereicht.
    Betrachten wir die Darstellung von B über H (Abb. 5, rechts) – und dort speziell den oberen rechten Teil, dann finden wir in guter Näherung unsere Neukurve (Abb. 5: NK) inklusive des Sättigungsverhaltens wieder.


    Abb. 5: Verlauf von H (sinusförmig) und B („kastenförmig“) ohne Phasenunterschied φ

    Zur Erklärung von Neukurve und Sättigung haben wir keinen Zeitverzug zwischen H und B benötigt. Soll unser mathematisches Modell nun Hysteresekurven erzeugen, die den „wirklichen“ Hysteresekurven nahekommen, so müssen wir die zeitliche Verzögerung zwischen H und B und den „kastenförmigen“ Verlauf von B miteinander kombinieren:

    B = B1 · sin(t + φ) + B3 · sin(3t + φ) + B5 · sin(5t + φ) + B7 · sin(7t + φ) + B9 · sin(9t+φ)

    Die Phasenverschiebung φ beschreibt wieder die zeitliche Verzögerung zwischen Feldstärke H und Flussdichte B. Abb. 6 und 7 zeigen den Zusammenhang von H und B wieder für Phasenverschiebungen von 1/20 bzw. 1/10 Periode.

    An dieser Stelle wollen wir klären und begründen, warum die Flussdichte B einen derart „kastenförmigen“ Verlauf hat. Weil sich die Weißschen Bezirke und damit auch die Flussdichte B zunächst nicht ändern, solange nicht genügend Energie für die Drehung der Weißschen Bezirke vorhanden ist. Das entspricht dem horizontalen Verlauf von B in den Abb. 6 und 7. Wenn genügend Energie zur Verfügung steht, dann geschieht die Änderung sehr schnell. Das entspricht dem nahezu vertikalen Verlauf von B in den Abb. 6 und 7. Zusammen ergibt das den „kastenförmigen“ Verlauf.


    Abb. 6: Verlauf von H (sinusförmig) und B („kastenförmig“) mit einem Phasenunterschied φ von 1/20 Periode

    Je größer die inneren Widerstände im Werkstoff, desto mehr Energie wird für die Drehung der Weißschen Bezirke benötigt. Um diese Energie zu sammeln, braucht es „Extrazeit“, die wir mit der Phasenverschiebung φ beschreiben. Eine große Phasenverschiebung produziert eine breite Hysteresekurve und beschreibt damit mathematisch die großen Energien, die für die Drehung benötigt werden.
    Wir haben nun „nahezu perfekte“ Hysteresekurven konstruiert. Unsere Zutaten waren:

    • sinusförmiger zeitlicher Verlauf der magnetischen Feldstärke H
    • „kastenförmiger“ Verlauf der magnetischen Flussdichte B
    • Phasenverschiebung φ zwischen H und B

    Für die Konstruktion der Hysteresekurven in den Abb. 6 und 7 haben wir Sinusfunktionen verschiedener Ordnung miteinander kombiniert. Ist dies nur eine mathematische Spielerei oder hat das auch werkstofftechnischen „Nährwert“?
    Dazu betrachten wir die Hysteresekurve in Abb. 8. Die ist durch dieselbe Kombination von Sinusfunktionen entstanden wie die in Abb. 7, aber mit einer Ausnahme:
    Die Amplitude B9 der letzten Sinusfunktion wurde ein klein wenig verändert – und die Auswirkungen sind in Abb. 8 deutlich sichtbar.


    Abb. 7: Verlauf von H (sinusförmig) und B („kastenförmig“) mit einem Phasenunterschied von 1/10 Periode

    Wie nutzen Werkstoffwissenschaftler so etwas?
    Nun, sie messen die Hysteresekurve eines „Gut-Werkstoffes“, zerlegen diese (oder genauer die Flussdichte B, die sich in der Hysteresekurve verbirgt) in ihre einzelnen Sinusfunktionen und ordnen bestimmten Werkstoffeigenschaften bestimmte Sinusfunktionen zu. Werden nun andere Proben dieses Werkstoffes untersucht und finden sich Veränderung in den Hysteresekurven (z.B. eine Änderung der Amplitude B9), dann kann man diese Änderung einer ganz bestimmten Sinusfunktion zuordnen und so Rückschlüsse auf die konkrete Werkstoffeigenschaft ziehen, die sich hinter dieser Sinusfunktion „verbirgt“.


    Abb. 8: Verlauf von H und B mit Phasenunterschied von 1/10 Periode und „Störung“ von B

    Das ganze Verfahren nennt man Oberwellenanalyse. Warum Oberwellenanalyse? Dazu betrachten wir noch einmal die Formel:

    B = B1 · sin(t) + B3 · sin(3t) + B5 · sin(5t) + B7 · sin(7t) + B9 · sin(9t)

    Die erste Sinusfunktion (sin(t)) nennt man Grundschwingung (oder auch Grundwelle) und alle anderen Sinusfunktionen (sin(3t), sin(5t), …) werden Oberwellen genannt. Diese werden der Oberwellenanalyse unterzogen. Mittels Oberwellenanalyse von Hysteresekurven lassen sich also die Materialeigenschaften ferromagnetische Werkstoffe prüfen.

    Die Oberwellenanalyse ist übrigens etwas, was jeder Mensch praktisch jeden Tag durchführt. Wir hören sofort, ob ein Ton harmonisch klingt oder eher dissonant (also unharmonisch). Dissonanzen werden u.a. durch „fehlerhafte“ Oberwellen verursacht. Unser Gehirn analysiert dazu die Oberwellen akustischer Töne. Was fehlerfrei ist, das „klingt gut“. Was fehlerhaft ist, nehmen wir als unangenehmen Klang wahr.

    Categories TrainingCenter, Werkstofftechnik

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