Ziel der Entwicklung

Die Ultraschallprüfung ist seit Jahrzehnten etabliert. Nicht nur in der medizinischen Bildgebung, sondern auch in der Materialprüfung erweist sich die zerstörungsfreie Untersuchung mit akustischen Wellen als aussagekräftig. Die Frequenzen sind oberhalb des hörbaren Bereiches und die Schallstrahlen deswegen vergleichsweise gerichtet. Damit sind ortsaufgelöste Prüfaussagen möglich.

Üblicherweise ist zur Einkopplung des Ultraschalls ein Koppelmittel nötig. Für die Materialprüfung wünschenswert sind jedoch berührungslose Verfahren. Dafür hat sich in den letzten Jahren die luftgekoppelte Ultraschallprüfung zunehmend bewährt. In Durchschallung (Transmission) befindet sich die Probe zwischen Ultraschallsender und ‑empfänger. Das durch die Probe hindurchgegangene Ultraschallsignal wird analysiert. Durch die Wechselwirkung mit der Probe und ihren Inhomogenitäten wird das Ultraschallsignal in Amplitude, Laufzeit und Form beeinflusst. Indem Sender und Empfänger lateral scannend verfahren werden, können ortsaufgelöste Prüfergebnisse gewonnen und als Bild dargestellt werden. Erfolgreich ist die Transmissionsprüfung beispielsweise bei kohle- und glasfaserverstärkten Verbundstrukturen und aluminiumverstärkten Wabenstrukturen. Die Qualität von Klebe- oder Schweißverbindungen kann ebenfalls geprüft werden.

In letzter Zeit wird die Transmissionsprüfung bei technischen Keramiken eingesetzt. Quaderförmige Blöcke werden auf Unregelmäßigkeiten geprüft. Bisher werden Proben dabei mit Referenzproben verglichen und Abweichungen bewertet. Dabei kommt die Frage auf, ob mit Ultraschall auch Aussagen über die Porosität bei intakten Proben getroffen werden können. Inhomogenitäten zeigen sich häufig durch deutliche Amplitudenunterschiede der transmittierten Ultraschallsignale. Hier ist eine Referenzmessung aussagekräftig. Für absolute Aussagen zur Porosität müssten hingegen von dieser abhängige Materialeigenschaften quantitativ ermittelt werden. Aus physikalischen Überlegungen kann die Schallgeschwindigkeit als Größe identifiziert werden, welche mit der Porosität korreliert ist. Die Messung der Schallgeschwindigkeit in Transmission ist bei der Nutzung von Luftultraschall keine triviale Aufgabe. Grund dafür sind die prinzipbedingt relativ langen Schallpulse und die häufig starke Schallschwächung der Proben. Die Schallgeschwindigkeitsmessung mit luftgekoppeltem Ultraschall stand deswegen im Mittelpunkt unserer Entwicklungsarbeiten.

Von Anwendern wird häufig ein Prüfverfahren mit einseitiger Zugänglichkeit bevorzugt. Auch hier findet eine Prüfung bisher häufig über den Amplitudenvergleich zwischen Referenzbauteil und Untersuchungsgegenstand statt. Unser Ziel war es, auch hier quantitative Aussagen zu ermöglichen. Aus der Physik der Schallausbreitung ist bekannt, dass die Geschwindigkeit von geführten Wellen von Materialparametern und den Abmessungen bestimmt wird. Deswegen haben wir im Rahmen des Projektes Ansätze zur quantitativen Auswertung erarbeitet. Dabei haben wir uns bewusst auf die Nutzung von bereits kommerziell verfügbaren Ultraschallwandlern und Scantechnik beschränkt, ohne auf sehr aufwändige optische Messtechnik zurückzugreifen. Es steht zu erwarten, dass die ortsaufgelöste Plattenwellengeschwindigkeit Aussagen zu Dicke, Materialbeschaffenheit und Isotropie liefern kann. Dem sind wir nachgegangen und haben Prüfmethoden dazu erarbeitet.

Vorteile und Lösungen

Sowohl für die Durchschallung als auch bei einseitiger Zugänglichkeit konnten wir Lösungen zur quantitativen Charakterisierung mit Luftultraschall entwickeln.

Die Schallgeschwindigkeitsmessung mit Luftultraschall steht vor einigen Herausforderungen. In Durchschallungsmessung werden die Ultraschallsignale beim Durchgang durch den Prüfkörper geschwächt. Außerdem kommt es zu Überlagerungseffekten (Interferenzen), weil die Pulslängen im Vergleich zur Laufzeit durch die Probe relativ lang sind. Der Beginn der Ultraschallpulse kann aus den empfangenen Ultraschallsignalen nicht exakt bestimmt werden. Auch wenn man Nulldurchgänge betrachtet, sind diese wegen der Schallschwächung häufig um mehrere Periodendauern verschoben. Zur Bestimmung der Signallaufzeit wurde deswegen ein pragmatischer Ansatz verfolgt.

In unserer Methode wird bei gleicher Wandlerkonfiguration eine Messung in Luft mit den ortsaufgelöst erfassten Ultraschallsignalen der Probe verglichen. Beide Messungen können in einem Scanvorgang stattfinden; die Übersteuerung des Luftsignals ist nicht problematisch. Für die Auswertung wird die unbekannte Schallgeschwindigkeit der Probe aus der bekannten Schallgeschwindigkeit der Luft durch die Laufzeitunterschiede zwischen einer Messung ohne und mit Probe bestimmt. Das durch die Probe gelaufenen Schallsignal ist in der Regel schneller als das durch die Luft, weil die Schallgeschwindigkeit in der Probe ungefähr eine Größenordnung höher ist. Die Laufzeiten werden aus der ansteigenden Nullstelle bestimmt. Die Differenz beider Zeiten ist meistens um mehrere Periodendauern zu klein. Dieser Effekt wird korrigiert, indem diese schrittweise addiert wird, bis die ermittelte Schallgeschwindigkeit der Probe in einen plausiblen Wertebereich fällt. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass mit diesem Vorgehen robust die longitudinale Schallgeschwindigkeit ermittelt werden kann. Die durch das Verfahren bedingte Mehrdeutigkeit ist für Keramiken nicht kritisch, da die Streuung über die Probe in der Regel deutlich kleiner ist als die Abstände zwischen den verschiedenen korrigierten Werten. Das Verfahren wurde mit Plexiglasplatten verifiziert und ergab innerhalb der Fehlerschranken die gleichen Schallgeschwindigkeiten wie angekoppelt gemessen. Eine Fehleranalyse ergab, dass die Dicke der Probe und die Schallgeschwindigkeit der Luft großen Einfluss auf die ermittelten Schallgeschwindigkeiten haben. Deswegen wird die Schallgeschwindigkeit der Luft über die ermittelte Temperatur berechnet.

Die Praxistests an Keramiken zeigten die Eignung der Methode. Hierbei wurden für die einzelnen Scanpunkte die Geschwindigkeiten ermittelt. Ihre ortsabhängige Darstellung führt zu einer weiteren nützlichen Bildgebungsvariante bei der Luftultraschallprüfung. Bei den untersuchten Keramikquadern zeigten sie anders als die Amplitudenbilder (C-Bilder) keine störenden Interferenzstreifen. Der Vergleich mit den üblichen Laufzeitbildern (D-Bilder) zeigte, dass bei bekannten Dicken die durch sie bedingten Phasenunterschiede eliminiert werden können. Das von uns entwickelte Verfahren wird mittlerweile erfolgreich im industriellen Umfeld eingesetzt.

Für die einseitige Luftschallprüfung wurde basierend auf der Bestimmung der Plattenwellengeschwindigkeit ein ortsaufgelöstes Bildgebungsverfahren entwickelt. Die Messung der Plattenwellengeschwindigkeit wird dabei linienweise durch einen feststehenden Sender und einen bewegten Empfänger realisiert. Dabei werden die Nullstellen aufeinanderfolgender Scanpunkte phasenrichtig ausgewertet. Mehrere solche Scanlinien decken die ganze Fläche der plattenförmigen Probe ab. Es ist dabei eine bildgebende Darstellung von auf die Rückseite der Probe geklebten Objekten möglich. Das ist sowohl über die ortsaufgelöste Geschwindigkeit als auch über die lokale Schallschwächung möglich. Mit einem ähnlichen Ansatz können die Scanlinien bei gedrehten Proben verfolgt werden, wodurch Anisotropie deutlich wird. In diesen erfolgreichen Ansätzen sehen wir ein Potenzial für zukünftige Entwicklungen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Mit unserem Projekt haben wir eine Aufgabenstellung bearbeitet, die von der Industrie an uns herangetragen wurde. In der Qualitätskontrolle technischer Keramiken sehen wir ein wichtiges Anwendungsfeld für unsere Innovation. Die Anforderungen an diese Materialien sind hoch. Insbesondere feuerfeste Keramiken, wie sie bei Hochtemperatur-Prozessen zum Einsatz kommen, müssen hohe Belastungen ohne Beeinträchtigung ihrer Funktion überstehen. Hierbei sind die Qualitätsansprüche hoch, weil ein Materialversagen zu erheblichen Folgeschäden bis zur Zerstörung der Produktionsumgebung führen kann, was erhebliche Kosten nach sich zieht.

Keramiken werden hergestellt, indem feinkörnige Rohstoffe mit Wasser vermengt werden und zu einem Werkstück geformt werden. Durch Trocknen entsteht daraus ein sogenannter Grünkörper. Dieser wird in einem energieintensiven Brennprozess gesintert und dadurch zu einem harten und beständigen Körper. Idealerweise schon vor dem Brennen sollten die Werkstücke geprüft werden, um Inhomogenitäten aufzuspüren und ein späteres Versagen der gebrannten Keramik zu vermeiden. Bei feuerfesten Keramiken sind die Folgekosten eines Versagens aber so erheblich, dass eine Prüfung aller hergestellten Werkstücke auch im gebrannten Zustand (vor dem Einsatz) betriebswirtschaftlich sinnvoll ist. Für die Integration in den Herstellungsprozess ist die inline-Fähigkeit der kontaktlos arbeitenden Luftultraschallprüfung vorteilhaft. In diesem Feld sehen wir – auch durch Anfragen aus der Branche – ein deutliches Marktpotential.

Der von uns entwickelte Algorithmus zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit ist von unserem Verwertungspartner SONOTEC GmbH (Halle/Saale) bereits in die Mess-Software seines Ultraschallprüfsystems integriert worden. Bei einem industriellen Anwender aus dem Bereich Feuerfestkeramik ist das System inzwischen im Einsatz. In der Mess-Software ist es auch möglich, ortsaufgelöst gemessene Probendicken in der Auswertung zu berücksichtigen. Wir hoffen, weitere Interessenten für das Verfahren zu gewinnen. In diversen Publikationen haben wir unsere Ergebnisse präsentiert.

In zukünftigen Arbeiten planen wir, den Zusammenhang zwischen grundlegenden Materialeigenschaften wie der Porosität zur Schallgeschwindigkeit stärker herauszuarbeiten. Wir erwarten hierbei, dass auch in anderen Materialsystemen Prüfaussagen möglich sein sollten, beispielsweise in Beton.

Darüber hinaus eröffnen sich für das Forschungszentrum Ultraschall über die Verbesserungen der einseitigen Prüfverfahren zukünftige neue Geschäftsfelder. Hier erwarten wir Impulse für die verbesserte Prüfung von dünnen, plattenförmigen Proben als auch für die Untersuchung von geklebten oder geschweißten Fügeverbindungen. Wie oft beim luftgekoppelten Ultraschall, ist die Tauglichkeit der Ansätze aber nur an der konkreten Prüfaufgabe zu testen. In der Adaption der Methode und der Spezifikation auf die konkreten Prüfaufgaben sehen wir eine wichtiges Geschäftsfeld. Beginnend bei Machbarkeitsuntersuchungen über die Technologieberatung bis zur Methodenentwicklung wollen wir dabei unsere gewonnenen Erkenntnisse weitergeben. Anschließende Forschungsprojekte geben uns die Gelegenheit, in unserem Projekt entstandene Ansätze zu vertiefen und zusammen mit Anwendungspartnern praktisch zu realisieren.