Stahl in Top-Qualität – Ein innovatives Prüfverfahren findet ihn!

Der Hauptbestandteil von Stahl ist Eisen, so viel steht fest. Das ist aber auch schon alles. Denn Stahl ist nicht gleich Stahl. Etliche Legierungselemente beeinflussen neben dem Kohlenstoff-Anteil seine Eigenschaften, etwa Aluminium, Chrom, Mangan, Molybdän oder Nickel. Die Liste könnte man noch lange fortführen. Außerdem kann man Stahl natürlich härten, vergüten, kaltverformen, walzen und vieles mehr. Anders gesagt: Stahl ist heutzutage ein Produkt, das für die jeweiligen Anwendungsgebiete maßgeschneidert wird. Nach Angaben der Universität des Saarlandes gibt es etwa 5.000 verschiedene Stahlsorten.

Diese Vielfalt bringt ein Problem mit sich: Wer Stahl benötigt, um Autos, Maschinen oder Brücken zu bauen, will natürlich die perfekte Zusammensetzung – und gleichbleibende Qualität. Die ist aber gar nicht so einfach zu bestimmen. Zumindest in der Vergangenheit waren Prüfverfahren schwierig. Das könnte sich jetzt ändern. Denn der Materialwissenschaftler Dominik Britz von der Universität des Saarlandes hat einen Weg gefunden, die Stahl-Qualität ziemlich exakt zu bestimmen. Nach seiner eigenen Aussagen, handle es sich weltweit um das beste Verfahren.

Wenn der Mensch Stahl prüft, macht er Fehler

Qualitätsprüfungen sind natürlich nicht neu. Bislang betrachteten dafür hochspezialisierte Expertinnen und Experten Materialproben unter dem Mikroskop. Denn an den inneren Strukturen kann man erkennen, mit welchen Eigenschaften die jeweilige Stahlsorte ausgestattet ist. „Die innere Struktur des Stahls ist auf der Mikro- und Nanoskala sehr individuell. Stahl hat viele Gesichter, die präzise wiedererkennbar sind“, sagt Britz. „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.“ Der Faktor Mensch sei dabei eine hohe Fehlerquelle. Die Genauigkeit der Bestimmung liege nur bei etwa 75%.

Exakter als der Mensch soll nun die Maschine den Stahl analysieren, genauer eine künstliche Intelligenz (KI). Die Software vergleicht die Mikroskopie-Aufnahmen der Stahlproben mit Bilddaten, die zuvor über die herkömmliche Methode eindeutlich klassifiziert wurden. Die Algorithmen erkennen die komplexen Muster und die Geometrie der Mikrostruktur und ordnen diese Stahltypen zu. „Sie lernen auch hinzu und können Merkmale von zuvor klassifizierten Mikrostrukturen mit den Mustern abgleichen“, sagt Britz.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit hat das neue Verfahren ermöglicht

Der Materialwissenschaftler hat eng mit Informatikern zusammengearbeitet, um den Hochleistungsrechnern diese Fähigkeiten beizubringen. Er hat unterschiedliche Spezialverfahren in der Rasterelektronenmikroskopie und anderen Mikroskopie-Verfahren verwendet, um für die Abbildungen die physikalischen Hintergründe der Gefüge-Bestandteile zu beschreiben. Im nächsten Schritt wandte er sich an Chemiker der Saar-Universität. Sie halfen ihm dabei, das Gefüge im Lichtmikroskop farblich erkennbar zu machen. „Es wird so reproduzierbar und verlässlich abgebildet. Alle Bestandteile und ihre geometrische Form und Größe lassen sich exakt auslesen“, sagt der Forscher Britz.

Nach Angaben des Wissenschaftlers schafft sein neues Prüfverfahren eine Genauigkeit von 95%. „Das Eigenschaftsspektrum des Stahls lässt sich so für den jeweiligen Einsatz schneller und verlässlicher prüfen und die Stahlindustrie kann die hohe Qualität ihrer Stähle noch besser sicherstellen.“ Darüber hinaus könne die Methode den Herstellern dabei helfen, neue Stahlsorten zu entwickeln und bisherige Produkte zu verbessern. Denn die jeweils gewünschten Eigenschaften ließen sich nun noch besser herausfiltern.

Forscher erhält Auszeichnung für seine Stahl-Prüfung

Die Deutsche Gesellschaft für Materialkunde DGM hat Britz für seine Entwicklung sogar gerade den Georg-Sachs-Preis verliehen für die „erste vollständig reproduzierbare Mikrostruktur-Kontrastierung“ sowie „die erstmalige Einführung des maschinellen Lernens in die vollautomatische Bildanalyse und Gefüge-Klassifizierung“. Mit diesem Preis zeichnet die DGM herausragende wissenschaftliche Arbeiten aus, die in enger Beziehung zur Praxis der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik stehen.

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