In der Bauteileprüfung ist Ultraschall eine bewährte Technologie – doch die Auswertung ist bislang ziemlich aufwändig. Fraunhofer-Forscher stellten auf der Hannover Messe ein optimiertes Verfahren vor: Es erlaubt eine schnelle und zuverlässige Materialprüfung anhand von 3D-Aufnahmen.
Fledermäuse können sich selbst bei absoluter Finsternis orientieren. Das liegt nicht etwa an einem besonders guten Sehvermögen: Die nachtaktiven Tiere tasten vielmehr ihre Umgebung ab, indem sie unentwegt – für den Menschen nicht hörbare – Laute ausstoßen. Treffen diese Ultraschallwellen auf ein Hindernis, werden sie als Echo zurückgeworfen. Je länger das Echo braucht, desto weiter ist der Gegenstand entfernt. Auch wir Menschen nutzen dieses Prinzip: In der Industrie etwa wird Ultraschall zur Bauteileprüfung eingesetzt, um winzigste Risse oder Materialfehler aufzuspüren, welche äußerlich nicht sichtbar sind. Bislang muss dazu ein Mitarbeiter den Prüfkopf am Bauteil entlangführen. In der Prüfanzeige werden die reflektierten Signale als Kurven dargestellt. Zusätzlich lassen sich einfache Schnittbilder des zu untersuchenden Bereichs erzeugen. Anhand dieser Informationen können erfahrene Prüfer Materialfehler erkennen. Der Prüfer muss quasi im Kopf ein räumliches Bild zusammensetzen – eine zeitintensive Prozedur.
Abb. 1: Mit dem Sensorprüfkopf werden Ultraschallwellen erzeugt, die das Material durchdringen / Bild: Uwe Bellhäuser
Künftig soll das einfacher und schneller gehen: Forschern des Fraunhofer-Instituts für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP in Saarbrücken ist es gelungen, aus den Prüfsignalen hochaufgelöste 3D-Bilder zu erzeugen, ähnlich wie in der medizinischen Ultraschalltomographie. Auf diesen Bildern sind Materialfehler, ihre Größe und ihre genaue Lage zu erkennen, so Professor Hans-Georg Herrmann vom Fraunhofer-IZFP.
Faserverstärkte Hochleistungskunststoffe auf Materialfehler untersuchen – Die Wissenschaftler knüpfen mit ihrer Lösung an die Phased Array-Technologie an: Dabei sind mehrere Einzelschwinger-Prüfköpfe linien- oder flächenförmig nebeneinander angeordnet. Die Ultraschallwellen durchdringen das Material also nicht nur punktuell, sondern großflächig. Die Weiterentwicklung besteht darin, dass jeder Schwinger einzeln angesteuert werden kann. Auf diese Weise wird es möglich, sich auf jeden Punkt im Prüfbereich gleichzeitig zu fokussieren.
Abb. 2: 3D-Ultraschall-Tomographie: Ein mit dem Ultraschallprüfsystem verbundener Industrieroboter tastet das Bauteil ab / Bild: Uwe Bellhäuser
Parallel dazu generiert ein am Fraunhofer-IZFP entwickelter Algorithmus aus den vielen Einzelsignalen eine 3D-Ansicht am PC. Die Ortsauflösung dieser Aufnahmen ist wesentlich besser als bei herkömmlichen Verfahren. Gleichzeitig kann die Prüfgeschwindigkeit signifikant erhöht werden, da der Rekonstruktionsalgorithmus echtzeitfähig ist, so fasst Herrmann die Vorteile des optimierten Verfahrens – der Sampling-Phased-Array-Technologie – zusammen. Ein weiterer Pluspunkt: Auch Materialien, die bislang nur schwer zu charakterisieren sind, lassen sich mit dem neuen, robotergestützten Verfahren prüfen. Faserverstärkte Hochleistungskunststoffe mit richtungsabhängigem Faserverlauf, wie sie zum Beispiel im Automobilbau eingesetzt werden, sind ein typisches Anwendungsbeispiel für diese neue Prüftechnik.
Um eine Auffälligkeit im Material zu analysieren, kann der Prüfer die Abbildungen aus verschiedenen Richtungen ansehen, drehen oder gezielt bestimmte Bereiche auswählen. Auch Längs- oder Querschnitte der Bilder sind möglich.
Ziel im industriellen Einsatz ist eine weitgehend automatisierte Bauteilprüfung. Ein Industrieroboter, der über eine Schnittstelle mit dem Prüfsystem verbunden ist, tastet die Bauteile vollständig ab. Die so erzeugte 3D-Ansicht kann anschließend durch speziell entwickelte und angepasste Algorithmen weitgehend automatisch ausgewertet werden. Eine solche Ergänzung entlastet den Prüfer. Längerfristig wird die zeitraubende manuelle Interpretation aller produzierten Daten vollständig vermieden. Der Prüfprozess kann beschleunigt und dessen Zuverlässigkeit verbessert werden.
Die Qualitätssicherung ist nur ein Anwendungsbeispiel: Die Technologie eignet sich laut Professor Bernd Valeske vom Fraunhofer-IZFP für den gesamten Produktlebenszyklus – von der Charakterisierung von Werkstoffen über die Bewertung von Bauteilkomponenten, für Reparaturservices bis hin zum Recycling.
Derzeit wird das neue Verfahren in einem Industrieprojekt qualifiziert und steht kurz vor der Freigabe.
