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Charakterisierung der Wandler für Luftultraschallprüfung aus zellulärem Polypropylen-Ferroelektret
(2011)
In den letzten Jahren stieg die Anfrage für zerstörungsfreie Prüfung (ZIP) mit Luftultraschall deutlich. Die klassische ZfP mit Ultraschall nutzt Flüssigkeiten als Koppelmittel zwischen dem Wandler und dem Prüfkörper. Für die Prüfung von Gegenständen mit empfindlicher Oberfläche, die das Koppelmittel beschädigen oder verunreinigen kann, ist deswegen Luftultraschall besser geeignet. Eine mögliche Anwendung ist beispielsweise der Nachweis von Delaminationen in glas- und kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffen sowie Sandwichbauteilen, die in der Luftfahrt- und der Automobilindustrie eingesetzt werden.
Die industrielle Computertomographie (CT) ist ein gut bekanntes Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken. In den letzten Jahren wird die CT aber zunehmend auch für dimensioneile Messungen von Werkstücken eingesetzt. Der wesentliche Vorteil der CT liegt in der Kompletterfassung mit hoher Messpunktdichte, die auch für andere Messverfahren unzugängliche, innere Geometrien einschließt. An kleinen Bauteilen können Strukturen bis herunter zu wenigen Mikrometern gemessen werden, wodurch sich das Verfahren gut für die Messung von Mikroteilen eignet. Nachteilig ist, dass viele Einflussgrößen das Messergebnis beeinflussen, was die Rückführung der Messergebnisse, die Bestimmung der Messunsicherheit und die Definition von Spezifikationen für CT-Anlagen erschwert.
Der Beitrag stellt nach einer Einführung in das Verfahren Anwendungsbeispiele der CT an Mikroteilen vor. Darüber hinaus geht der Beitrag auf Prüfkörper und -verfahren zur Einmessung und Überprüfung von CT-Anlagen ein und berichtet über aktuelle Normungsaktivitäten. Abschließend werden Möglichkeiten zur weiteren Steigerung der Auflösung aufgezeigt, um zukünftig möglicherweise auch Nanogeometrien messen zu können.
Eine stets optimale Nutzung von Anlagen, Rohstoffen und Energie in Verbindung mit einer guten Prozessführung sind die wichtigsten Voraussetzungen für globale Wettbewerbsvorteile der Chemisch Pharmazeutischen Industrie und für die Branchen Energieerzeugung, Petrochemie, Nahrungsmittel, Papier- und Zellstoff oder Wasserversorgung. Überlegene Verfahren erfordern die fortwährende Kontrolle der geforderten Produktqualität, ihre präventive Sicherstellung und eine ständige Verbesserung des Wissens über den Prozess. Sensoren helfen dabei, alle wichtigen Messgrößen an kritischen Stellen transparent zu machen.
Sie sind die 'Sinnesorgane der Prozessleittechnik' für automatisierte Verfahren. Allein aufgrund stetig wachsender Anforderungen an Sensoren ergibt sich für viele Messaufgaben die Notwendigkeit einer ständigen Verbesserung der Sensoren. Für völlig neue Aufgaben müssen jedoch neue Messprinzipien gefunden werden, weil heute noch keine Sensor-Technologie existiert oder die wachsenden Anforderungen nicht mehr allein durch Weiterentwicklung bestehender Technologien erfüllt werden können.
Ende 2009 wurden Anforderungen und Wege für die konsequente Weiterentwicklung und Verbesserung von Prozess-Sensoren aus Anwendersicht aufgeschrieben. Das Projekt wurde von NAMUR und GMA initiiert und gemeinsam mit Industrieanwendern und Geräteherstellern als Technologie-Roadmap 'Prozess-Sensoren 2015+' veröffentlicht.
Was ist aus den Wünschen seither geworden? Wie kann die Umsetzung dieser Entwicklungsziele von den Geräteherstellern wirtschaftlich und marktgängig erfolgen? Wie werden neuartige Forschungsziele mit der angemessenen Forschungsförderung am besten vorangebracht?
Aus wirtschaftlich-technischer Perspektive ergeben sich in den letzten zehn Jahren hinsichtlich der Werkstoffinnovation und -auswahl für geschweißte Rohrleitungen im Wesentlichen zwei Entwicklungsrichtungen:
Im Bereich der niedriglegierten Stähle werden immer höher festere Feinkombaustähle mit Streckgrenzen von inzwischen über 900 MPa verwendet. Wirtschaftliches Ziel ist hierbei eine möglichst hohe Kosteneinsparung durch Reduktion der Wanddicke.
Für korrosionsbeanspruchte Komponenten, unter anderem im Petrochemie- und Energieanlagenbau besteht das wirtschaftliche Ziel primär darin, eine höhere Kosteneinsparung durch neue Legierungskonzepte zu erzielen und zwar möglichst so, dass bei mindestens gleicher Festigkeit auf die Verwendung von teuren Elementen, wie beispielsweise Nickel, verzichtet werden kann. Beispiele hierfür sind insbesondere hochlegierte martensitische Cr-V-Stähle, supermartensitische Stähle, Lean-Duplexstähle, superaustenitische Stähle und austenitische Cr-Mn-Stähle.
Für einige der neu eingeführten Grundwerkstoffe sind die Zusatzwerkstoffe noch in der Entwicklung. In jedem Fall stellen diese Werkstoffinnovationen besondere Ansprüche hinsichtlich einer Rissvermeidung während der schweißtechnischen Verarbeitung, um von vornherein riss- bzw. fehlerfreie Rohrleitungen herzustellen, die eine hohe Sicherheit gegen ein Versagen während der Inbetriebnahme und im Verlauf der vorgesehenen Lebensdauer aufweisen. Fast alle dieser neu eingeführten Rohrleitungswerkstoffe weisen eine reduzierte Heiß- oder Kaltrissresistenz vor allem während des Schweißens mit modernen Hochleistungsprozessen, bspw. Laserhybridschweißen, auf. Dabei besteht nach wie vor Forschungsbedarf hinsichtlich der jeweiligen Entstehungsmechanismen. Da es in den letzten zehn Jahren immer häufiger zu Produktionsausfällen und Schadensfällen mit teilweise katastrophalen Konsequenzen gekommen ist, werden die Ursachen und die Vermeidung fertigungsbedingter Heiß- und Kaltrisse im Folgenden zusammengefasst.
Schadensfälle in den letzten zehn Jahren mit teilweise katastrophalen Folgen belegen, dass der Vermeidung von Rissen beim Schweißen von Rohrleitungen besondere Aufmerksamkeit zu schenken ist. In der Analyse solcher Schäden ist zu unterscheiden, ob die Risse bereits während oder kurz nach der schweißtechnischen Fertigung der Rohrkomponenten oder während des anschließenden Betriebes entstanden sind. Im vorliegenden Beitrag wird sich vor allem auf die Vermeidung einer Heiß- und Kaltrissbildung beim Schweißen von Rohrleitungen konzentriert und es werden weitere Forschungsperspektiven abgeleitet.
Analytische Methoden zur Feststellung der Herkunft eines Baustoffes sind bislang kaum entwickelt worden. In Deutschland gibt es eine Reihe von Kalkiagerstätten, die in unterschiedlichen geologischen Formationen Kalk oder Dolomit enthalten. Das unterschiedliche geologische Alter von Kalken sowie die ursprüngliche mineralische Zusammensetzung und die geologische Historie spiegeln sich im 87Sr/88Sr-lsotopenverhältnis weder. Mittels der Thermionen-Massenspektrometrie kann dieses Verhältnis ermittelt und somit zur Herkunftsbestimmung eines Kalkes herangezogen werden.
In Deutschland werden zwei Arten von radioaktiven Abfällen unterschieden: Wärme entwickelnde Abfälle und Abfälle mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung. Im Endlager Konrad werden ausschließlich radioaktive Abfälle mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung endgelagert (im internationalen Sprachgebrauch: schwach- und mittelradioaktive Abfälle). Solche Abfälle stammen zum Beispiel aus dem laufenden Betrieb, der Stilllegung und dem Rückbau von Kernkraftwerken, aus der Forschung, der Medizin oder von der Bundeswehr und beinhalten unter anderem kontaminierte Baustoffe, Schrott, Werkzeuge, Schutzkleidung, Schlämme und Suspensionen. Vor dem Endlagern dieser Abfälle werden sie konditioniert, d. h. die festen Abfälle werden teilweise zerkleinert, verpresst oder zementiert, flüssige eingedampft oder zementiert und häufig anschließend in Fässer verpackt. Im nächsten Schritt werden die konditionierten Abfälle in Abfallbehälter verpackt. Geeignete Behältertypen sind (gemäß IM, 121) kubische Container oder Rundbehälter mit definierten Abmaßen aus Stahlblech, Beton oder Gusseisen. Diese Abfallbehälter sind für die Endlagerung, für eine vorausgehende längerfristige Zwischenlagerung sowie ggf. für den Transport über öffentliche Verkehrswege zu qualifizieren.
Die GUM-Prozedur zur Ermittlung der Messunsicherheit hat sich im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen (ZfPBau) als geeignet erwiesen, ZfPBau-Verfahren bei der Validierung von Prüfaufgaben zu charakterisieren. Darüber hinaus können die Modellgleichungen und die quantifizierten Eingangsgrößen Eingang in Berechnungen auf der Basis der Zuverlässigkeitstheorie finden. Damit ist es möglich, die Auswirkung der berücksichtigten Einflussgrößen auf die Zuverlässigkeit einer Prüfaussage zu quantifizieren.
In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz zur Erzeugung von Luftultraschall vorgestellt, der auf dem thermoakustischen Prinzip beruht. Mikro- und nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien werden dabei mit einem harmonischen Wechselstrom gespeist und erfahren durch ohmsche Verluste eine Temperaturänderung, die sich auf das umgebende Fluid überträgt. Daraus resultieren Druckmodulationen, und es wird eine ausbreitungsfähige Schallwelle erzeugt. Dabei tritt Frequenzverdopplung gegenüber der Anregungsfrequenz auf. Es konnte gezeigt werden, dass der entscheidende Parameter für die Effizienz der Methode, d.h. für ein möglichst großes Verhältnis von Schalldruck zu eingebrachter Leistung, die Wärmekapazität pro Flächeneinheit ist. Da dieser Quotient für Kohlenstoffmaterialien sehr klein sein kann, erlaubt das thermoakustische Prinzip hier die effiziente Erzeugung von Luftultraschall. Schalldruckmessungen an verschiedenen Materialproben wurden bis 100 kHz mit einem Mikrofon durchgeführt, oberhalb von 100 kHz wurde eine laservibrometrische Schnellemessung eingesetzt. In experimentellen Untersuchungen wurde die Schallerzeugung in Abhängigkeit der Materialeigenschaften analysiert und systematisiert. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit numerischen und analytischen Berechnungsergebnissen verglichen.
Am 9. Juli 2008 entgleiste ein Hochgeschwindigkeits-Triebzug der Baureihe 403, ICE3, bei der Ausfahrt aus dem Kölner Hauptbahnhof. Ursache dafür war der Schwingbruch einer Radsatzwelle. Im Auftrag der Staatsanwaltschaft Köln untersuchte die BAM die Schadensteile, insbesondere die gebrochene Treibradsatz-Hohlwelle.
Zunächst wurden das Drehgestell, der Antriebsstrang, die Räder, die Bremsen und die gebrochene Radsatzwelle visuell untersucht und deren Zustand dokumentiert.
Anschließend erfolgte die zerstörungsfreie Prüfung der beiden Bruchstücke der Hohlwelle mit teilmechanisierter Ultraschall-Handprüfung.
Vor der Zerlegung der Radsatzwelle wurden ausgewählte Maße kontrolliert und die Oberfläche eingehend untersucht. Nach der Probenahme und Präparation wurden die relevanten spezifizierten Eigenschaften des Wellenwerkstoffs überprüft.
Mittels Bruchflächenanalyse konnte die Startstelle des Schwingrisses lokalisiert, aufgrund der starken Sekundärschäden auf der Bruchfläche und an den Bruchkanten jedoch nicht direkt ausgewertet werden. Durch die Kombination von Mikro-Computertomographie und Ultraschall-Tauchtechnik wurden u. a. nahe der Schwingriss-Startstelle Inhomogenitäten erkannt, die durch metallographische Zielpräparation als nichtmetallische Einschlüsse identifiziert wurden. Die Größe dieser Einschlüsse ist gemäß gefordertem Reinheitsgrad unzulässig. Vergleichbare Einschlüsse in diesem hochbeanspruchten Bereich der Radsatzwelle haben vermutlich den Schwingriss initiiert.