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Aufgrund eines anhaltenden Trends der Miniaturisierung von Bauteilen sowie eines gesteigerten Qualitätsanspruches in Fertigung und Instandhaltung besteht ein wachsender Bedarf für hochauflösende zerstörungsfreie Prüfverfahren. Ein derzeit vielversprechender Lösungsansatz in der elektromagnetischen Prüfung wird durch die magnetischen Mikrosysteme eröffnet. Insbesondere die jüngst mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnete GMR-Technologie bietet neben einer hohen Feldempfindlichkeit zugleich hervorragende Ortsauflösungen mit Schichtabmessungen bis in den unteren µm-Bereich. Hierdurch werden magnetische Feldverteilungen bei der Wirbelstromprüfung oder der Streuflussprüfung mit einem gegenüber Spulensystemen erhöhten Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) und einer verbesserten Ortsauflösung gemessen. Im vorliegenden Beitrag wird das Potenzial der MR-Technologie anhand der Wirbelstromprüfung von Drähten verdeutlicht. Hierbei wird ein kreuzförmiges GMR-Sensor-Array um den zu untersuchenden Draht positioniert. Jeder einzelne GMR-Sensor misst dabei mit einer Feldempfindlichkeit von etwa 200pT/√Hz und einer Ortsauflösung von 100µm. Der Nachweis von im Durchmesser etwa 200µm großen Defekten in einer Tiefenlage von 200µm unterhalb der Drahtoberfläche gelingt mit einem SNR von über 400. Oberflächendefekte ähnlicher Größenordnung können mit einem SNR von nahezu 104 detektiert werden. Ein derart hohes SNR birgt in Kombination mit der hohen örtlichen Auflösung Potenzial für eine 3D-Fehlerlokalisierung. Unter Verwendung eines analytischen Ansatzes sowie auf FEM beruhende Dateninversionsalgorithmen können Defekte mit einer Abmessung von größer 200µm auf einige 10µm exakt lokalisiert werden.
Influence of surface properties on the detection and quantification of voids in concrete structures
(2008)
SAFT für die Rissflächenanalyse - Vergleich von Modellrechnungen und Gruppenstrahlermessungen
(2009)
In diesem Beitrag wird eine Methode zur Charakterisierung von
offenen Oberflächenrissen mittels aktiver Thermografie präsentiert. Hierzu wird die
Probe ortsfest lokal mit einem Laser erwärmt und die resultierende
Oberflächentemperatur mittels Infrarotkamera aufgenommen. Bei einer ungestörten
Probe ergibt sich ein rotationssymmetrisches Temperaturprofil. Betrachtet man
hingegen einen Bereich mit einem Oberflächenriss, so kommt es durch die Störung
des lateralen Wärmetransports zu einer unsymmetrischen Temperaturverteilung.
Durch die quantitative Analyse diese Unsymmetrie lassen sich Aussagen über
geometrische Parameter des Risses treffen.
Bei der automatisierten Prüfung von Stangen mit Ultraschall-
Gruppenstrahlertechnik besteht grundsätzlich die Möglichkeit, Prüfkopfparameter
wie Einschallwinkel, Fokustiefe und Schallbündelbreite programmgesteuert an sich
verändernde Prüfbedingungen anzupassen. Zu diesen zählt die Temperatur des
Koppelmediums (Wasser), die in einem Bereich von 10°C bis 50°C liegen kann, was
zu unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten führt und den Einschallwinkel
verändert. Mit der Folge, dass unter Umständen die geforderte 100%-Abdeckung
des Prüfvolumens nicht mehr gewährleistet ist.
Auch geometrische Abweichungen, wie sie durch die fertigungsbedingte Streuung
des Prüflings gegeben sind, können Einfluss auf das Prüfergebnis nehmen. So
führen Abweichungen vom idealen Geradheitszustand zu Fehlpositionierungen des
Prüfkopfs, was wiederum Einfluss auf die Lage und Beschaffenheit des Schallbündels
in der Stange hat. Ähnliches gilt für nicht vollkommen kreisförmig ausgebildete
Stangendurchmesser, die unterschiedliche Schalleintrittsbedingungen bewirken und
Abweichungen von den theoretisch ermittelten Werten zur Folge haben.
Im Rahmen eines vom BMWi geförderten Forschungsvorhabens wurde der Einfluss
dieser Parameter untersucht und ihre Auswirkungen für den Betrieb einer
automatisierten Prüfanlage unter realen Betriebsbedingungen ermittelt. Dies betrifft
vor allem den maximal möglichen Schallbündelversatz innerhalb des Arrays, der die
Anzahl der erforderlichen Prüftakte bestimmt und damit die maximale
Vorschubgeschwindigkeit des Prüflings. Des Weiteren werden Möglichkeiten zur
programmgesteuerten Kompensation der untersuchten Temperatur- und
Geometrieabweichungen durch eine flexible Anpassung der Gruppenstrahler-
Prüfkopfparameter aufgezeigt.
Mit der Gruppenstrahlertechnik der Bundesanstalt für
Materialforschung und -prüfung sind umfangreiche Untersuchungen an einer
plattierten Druckbehälter-Testwand durchgeführt worden. In der vorliegenden
Testwand mit einer Wanddicke von 149 mm befinden sich künstliche
Testreflektoren im Schweißnaht- und Plattierungsbereich, die mit Gruppenstrahler-
Prüfköpfen mit unterschiedlichen Frequenzen, Einschallwinkeln und
Einschallrichtungen nachgewiesen und in ihrem Anzeigenverhalten analysiert
wurden.
Zur Rekonstruktion der Reflektoranzeigen wurde ein SAFT - Algorithmus
verwendet, der die Variation der Einschallwinkel berücksichtigt. Zum Vergleich
sind die Reflektoren auch mit der TOFD - Technik analysiert worden. Ziel der
Untersuchungen war der direkte Vergleich der Eignung der SAFT- und TOFDTechnik
zur quantitativen Reflektorgrößenbestimmung.
Zunehmend werden hochpräzise Magnetfeldsensoren in der
Materialprüfung verwendet. Aus dem Zoo der Magnetfeldsensoren eignen sich
GMR-Sensoren (Giant Magneto Resistance) aufgrund ihrer hohen Feld-
Empfindlichkeit, ihrem hohen Signal-Rausch-Verhältnis sowie ihrer kleinen
Sensorflächen (verbunden mit einer hohen Ortsauflösung) hierfür im Besonderen.
Mit GMR-Sensoren wurden Risse untersucht und konnten mit einer Tiefe ≤ 50 µm
noch mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis aufgelöst werden. Die an
Prüfkörpern mit künstlich eingebrachten Defekten gemessenen Streufeldsignale
wurden anhand von analytischen Lösungen verifiziert. Anhand der analytischen
Lösungen wurden auch Defektparameter zu den aufgezeichneten Signalen
rekonstruiert.
Geführte Wellen breiten sich in Platten und Hohlzylindern über weite
Entfernungen aus. Aus dieser Eigenschaft ergibt sich ein hohes Anwendungspotential
dieser Wellenart für die zerstörungsfreie Prüfung ausgedehnter Bauteile und
Strukturen mittels Ultraschall. Nachteilig für die Anwendung geführter Wellen sind
ihr dispersives Verhalten und die zunehmende Anzahl ausbreitungsfähiger Wellenmoden
bei hohen Frequenzen.
Ziel des Einsatzes der Gruppenstrahlertechnik ist es, eine ausgewählte Wellenmode
selektiv anzuregen bzw. zu empfangen. Durch die Änderung des Schwenkwinkels
im Gruppenstrahlerprüfkopf wird eine definierte Spurwellenlänge auf dem
Interface zwischen Prüfkopf und Struktur festgelegt, die zur Anregung einer Welle
mit entsprechender Phasengeschwindigkeit führt. Da der Schwenkwinkel elektronisch
verändert werden kann, lässt sich auch die angeregte Wellenmode elektronisch
auswählen, worin der große Vorteil des vorgestellten Verfahrens liegt.
In den vorgestellten Untersuchungen wurde die Anwendbarkeit der Methode
experimentell demonstriert. Der Anregemechanismus wurde theoretisch beleuchtet
und die Wellenausbreitung im Prüfkopf mit verschiedenen analytischen Ansätzen
modelliert. Mit diesen Modellen können Fragen der Richtwirkung und der Effizienz
der Anregung detailliert untersucht werden. Die modellierten Wellenfelder
wurden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen und die Anwendbarkeit
der theoretischen Ansätze beurteilt, wobei die Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen
im Experiment verifiziert werden konnten.
In diesem Beitrag werden numerische Verfahren zur Erkennung und Charakterisierung von Fehlstellen, Schichtdicken, Wanddicken und Inhomogenitäten mittels aktiver Thermografie vorgestellt. Eine uantitative Beurteilung der nicht immer zugänglichen Rückwand eines Bauteils (Minderdicken) ist durch Inversion thermografischer Messdaten möglich. Diese quantitativen Informationen können durch iterative Methoden vom Gauß-Newton-Typ (Inversion) gewonnen werden. Als reale Prüfobjekte werden ca. 2 cm dicke PVC-Platten mit örtlich variierender Rückwandgeometrie untersucht. Die Erwärmung erfolgt mit
Blitzlampen, welche die PVC-Platte kurzzeitig um mehrere K erwärmt. Ein wichtiger Teil der Inversion ist die Simulation des Experiments, welche mit Finite-Elemente-Methoden (FEM) in 2D realisiert wird. Da Inversion und active Thermografie automatisierbar sind, bietet die Kombination breite Anwendungsgebiete innerhalb der Industrie.
Die Kombination der Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) mit der Tauchtechnik stellt eine besondere Herausforderung dar. Zwei für SAFT notwendige Bedingungen – die große Schallbündeldivergenz und die Kenntnis über den Ort des Senders bzw. des Empfängers, der für die phasenrichtige Überlagerung der Echosignale genau bekannt sein muss – lassen sich einfach erfüllen, wenn kleine, fast punktförmige Sensoren direkt auf der Oberfläche des Prüfobjektes ankoppeln. Diese Anordnung ist in der Regel nicht vereinbar mit den praktischen Ansprüchen an die Signalqualität und die Flexibilität der Prüftechnik.
Werden jedoch Prüfköpfe mit üblichen Abmessungen und zudem noch mit Vorlaufstrecken verwendet, dann ist die Bestimmung der Sensororte und der Schalllaufwege durch die brechende Fläche nicht mehr trivial, wenn man die für SAFT geforderte Genauigkeit in Rechnung stellt.
Etwas anderes, aber ein im Prinzip einfacher Weg zur räumlichen Lokalisation von Echoquellen ist die Auswertung des 2D Sektorscans eines Matrixarrays und dessen dreidimensionale Darstellung. Durch gezielte Steuerung des Arrays gelingt auf einfache Weise die ortsrichtige Zuordnung.