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Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
- nein (6)
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.
Zusammenfassung
Die zunehmende Auslegung von Werkstoffen und Bauteilen bis dicht an ihre Leistungsgrenzen erfordert von Seiten der zerstörungsfreien Prüfung eine zunehmende Steigerung ihrer Nachweisempfindlichkeit sowie eine Verbesserung ihrer Analysemöglichkeiten. Um diesen Forderungen gerecht zu werden, wurde eine 7-achsige mit bürstenlosen (AC)-Servomotoren und linearen Servoverstärkern sowie ungetakteten Netzteilen ausgerüstete Tauchtechnik-Anlage aufgebaut, die sich durch eine hohe Störfreiheit auszeichnet und so sehr hohe Prüfempfindlichkeiten gestattet.
Berichtet wird über das Konzept sowie über eine neue zukunftweisende modular aufgebaute Steuer- und Auswerte-Software.
Bei der Prüfung von gekrümmten Bauteilen in Tauchtechnik muss man die Veränderung des Schallfeldes durch die Form der Oberfläche berücksichtigen. Insbesondere bei hochauflösenden Ultraschallprüfungen mit Fokusprüfköpfen kommt es hierbei zu drastischen Verzerrungen des Schallfeldes.
Diese Verzerrungen sind bei der Empfindlichkeitseinstellung sowie bei der Auslegung von Fokuspunkt- und Spurabstand zu berücksichtigen, um eine ausreichende Prüfempfindlichkeit zu erreichen. Es werden Beispiele von Simulationsrechnungen an typischen Prüfanordnungen vorgestellt.
Die heutigen Anforderungen an Bauteile und deren Materialien werden immer höher. Somit steigen auch die Anforderungen an die notwendigen Prüfverfahren zur Qualitätsbestimmung bzw. –erhaltung. Durch den optimierten Einsatz von mechanisierten Prüfverfahren und der Verwendung von Visualisierungsalgorithmen wird es möglich, Prüfergebnisse mehrdimensional und farbcodiert z.B. als Überblicksansicht über das Volumen des geprüften Bauteils zu bekommen.
Bei der hochauflösenden Volumenprüfung eines Bauteils mittels Ultraschall-Tauchtechnikverfahren, bei dem anstelle einer einfachen Ja/Nein – Aussage eine detaillierte Analyse erforderlich ist, ist es notwendig, alle Messdaten, d.h. jedes A-Bild an jedem Ort, zu speichern.
Bei der Auswertung der Daten werden vorwiegend 2D-Darstellungen, wie z.B. das C-Bild der gescannten Fläche, B-Bilder der Scan- und Index-Ebene sowie das A-Bild an der jeweiligen Position verwendet. Um sich z.B. ein Überblick über das Volumen zu verschaffen, werden die B-Bilder der jeweiligen Ebene gescrollt. Bei diesem Verfahren erhält man zwar eine genaue Aussage in den einzelnen Ebenen, aber doch wenig Informationen über die Lage der Anzeigen im Prüfvolumen.
Eine 3D-Visualisierung der Volumenmessdaten liefert unter Berücksichtigung der Bauteilgeometrie und einer Farbcodierung der Amplitudenwerte eine übersichtliche Darstellung über Lage, Größe und Verteilung der Anzeigen im Volumen des Bauteils.
Die wiederkehrende zerstörungsfreie Prüfung von längs gebohrten
Eisenbahnradsatzwellen mit Ultraschall erfolgt im eingebauten Zustand aus der Wellenbohrung heraus. Neben den aufzufindenden Fehleranzeigen erzeugt aufgrund der geometrischen Bedingungen der Radsatzwelle hierbei jeder Querschnittsübergang eine umlaufende Formanzeige in der Ergebnisdarstellung. Durch den Prozess des Aufschrumpfens der Radscheiben auf die Sitze können weiterhin örtlich statistisch verteilte Bereiche im Sitz entstehen, die bei der Ultraschallprüfung Anzeigen hervorrufen, die so genannten Scheinanzeigen. Insbesondere in den Bereichen der Querschnittsübergänge ist zum einen die Prüfsituation sehr komplex, zum anderen ist hier die Wahrscheinlichkeit für eine Rissbildung am höchsten. Bei der Befundanalyse stößt die derzeit verwendete Prüftechnik in diesen Bereichen an ihre Grenzen, so dass nicht immer eine eindeutige Prüfaussage erfolgen kann. Im Bericht werden Lösungsansätze für Analyseverfahren vorgestellt, die auf Basis der Gruppenstrahlertechnik bzw. mit Fokusprüfköpfen in Verbindung mit dem Einsatz von Signalverarbeitung vielversprechende Ergebnisse zur Optimierung dieser Situation aufzeigen.
Der Ultraschall-Volumenscan als Werkzeug zur Prüfung komplizierter Geometrien und komplexer Gefüge
(2007)
Rundlaufende Hochleitungs-Werkzeuge mit wendelförmigen
Kühlkanälen, wie Bohrer und Fräser, bestehen aus pulvermetallurgisch
hergestelltem Hartmetall. Bei diesem Herstellungsprozess wird die Formmasse in
einem sehr plastischen Zustand durch spezielle Schneckenstrang-Pressen, in denen
sich auch die Formungsteile für die Kühlkanäle befinden, gedrückt. Bedingt durch
diesen Herstellungsprozess der Rohlinge, können an der Oberfläche und, was
besonders unangenehm ist, auch an den Kühlkanälen kleine Risse entstehen, die die
Festigkeit bzw. Haltbarkeit des Werkzeuges herabsetzen. Daher werden die
Rohlinge mit Ultraschall geprüft.
Diese Prüfung kann bei größeren Wanddicken (größer 10-12 mm) und max. 2
Kühlkanälen noch mit "normalen" Ultraschall-Prüfgeräten in einem Tauchbecken
erfolgen, wobei der Prüfkopf mit einer ausreichenden Wasservorlaufstrecke über
den sich drehenden Rohling geschoben wird. Wird der Durchmesser des Rohlings
kleiner oder besitzt er mehr als 2 Kühlkanäle, ist es für den Prüfer nicht mehr
möglich, Fehler- von Formanzeigen zu unterscheiden. Abhilfe bieten in diesem Fall
die bildgebenden Ultraschall-Techniken, wie z. B. der Volumenscan.
Der Volumenscan ist ein um eine zusätzliche Koordinate erweitertes B- oder TDBild.
Daher ist er in seiner Gesamtheit auch nur 3-dimensional darstellbar, oder, was
bezogen auf die Auswertung große Vorteile bringt, die 2-dimensionalen Bilder der
zusätzlichen Koordinate werden in einer Art Videosequenz durchgescrollt. Die
aufgenommenen Amplituden sind farbcodiert.
Die Wirkungsweise des Volumenscans wird am Beispiel der Prüfung von
Hartmetall-Rohlingen mit wendelförmigen Kühlkanälen für Hochleistungswerkzeuge
gezeigt und erläutert.
Der Ultraschall-Volumenscan als Werkzeug zur Prüfung komplizierter Geometrien und komplexer Gefüge
(2007)
Seit Jahren stellt die luftgekoppelte Ultraschallprüfung eine etablierte Alternative zur konventionellen Prüfung von Leichtbaukomponenten aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Automotive dar. Im Gegenteil zur flüssigkeitsgekoppelten Prüfung in Kontakt oder im Tauchbecken ist sie weniger invasiv und bietet daher zeitliche und finanzielle Anreize.
Normalerweise wird die luftgekoppelte Prüfung mit Einzelelementschwingern in Durchschallung realisiert, wohingegen die Gruppenstrahlertechnik bereits Industriestandard im Bereich der Kontakttechnik darstellt. Die damit verbundenen Vorteile wie die aktive Fokussierung oder, die gezielte Manipulation des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, finden im Bereich der luftgekoppelten Prüfung dabei noch wenig Anwendung.
Im Rahmen dieses Beitrags stellen wir die ersten Zwischenergebnisse des geförderten Projektes „PALUP – Phased- Array-Technik für Luftultraschall-Prüfungen“ vor. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Mehrelementschwingern auf Basis von zellulären Kunststoffen, die Entwicklung einer dedizierten Pulserstufe im Kilovoltbereich, sowie die nötige rauscharme messtechnische Auswertung jedes Einzelelements.
Seit Jahren stellt die luftgekoppelte Ultraschallprüfung eine etablierte Alternative zur konventionellen Prüfung von Leichtbaukomponenten aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Automotive dar. Im Gegenteil zur flüssigkeitsgekoppelten Prüfung in Kontakt oder im Tauchbecken ist sie weniger invasiv und bietet daher zeitliche und finanzielle Anreize.
Normalerweise wird die luftgekoppelte Prüfung mit Einzelelementschwingern in Durchschallung realisiert, wohingegen die Gruppenstrahlertechnik bereits Industriestandard im Bereich der Kontakttechnik darstellt. Die damit verbundenen Vorteile wie die aktive Fokussierung oder, die gezielte Manipulation des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, finden im Bereich der luftgekoppelten Prüfung dabei noch wenig Anwendung.
Im Rahmen dieses Beitrags stellen wir die ersten Zwischenergebnisse des geförderten Projektes „PALUP – Phased- Array-Technik für Luftultraschall-Prüfungen“ vor. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Mehrelementschwingern auf Basis von zellulären Kunststoffen, die Entwicklung einer dedizierten Pulserstufe im Kilovoltbereich, sowie die nötige rauscharme messtechnische Auswertung jedes Einzelelements.
Applications of fibre reinforced plastic (FRP) composites in modern industries are increasing due to their considerable advantages such as light weight and excellent mechanical properties. Accordingly, importance of operational safety of modern structures made of advanced composites by ensuring the material quality has led to increasing demands for development of non-destructive evaluation (NDE) systems. In the context of a European project entitled “Validated Inspection Techniques for Composites in Energy Applications” (VITCEA), the aim is to develop and validate traceable procedures for novel NDE techniques with contrasting damage detection capabilities in energy related applications such as wind and marine turbine blades, nacelles, oil and gas flexible risers. Accordingly, VITCEA focuses on optimization of ultrasonic tests (UTs) for quantitative defect detection and quality characterization of FRP structures. In this context, the present study describes the ultrasound field in heterogeneous composite materials. The theoretical predictions are compared with simulation results obtained from CIVA a software package dedicated to NDT simulations based on the asymptotic ray theory.
In respect of modern approaches in material sciences and highly increased
requirements on materials on safety relevant components, quality management
and non-destructive testing reclaims a steadily increased meaning. The
destructive meaning of measuring the degree of purity is defined in DIN EN 10247
through metallurgical investigations, especially microsections.
For and comparable, but non-destructive testing due ultrasonic testing, the material
the SEP 1927 is a well-defined industry standard. A novel and alternative way
of reference block construction was focused by this work. The proposed amendments,
regarding the manufacturing and machining, are less time and cost consuming.
Verified by measurements the presented reference block fits the same acoustical
characteristics and the requirements of the guideline.
Die Ultraschallprüftechniken zur Bestimmung des Reinheitsgrades
von Stählen gewinnen immer mehr an Bedeutung, erkennbar u.a. auch am Stahl-
Eisen-Prüfblatt SEP 1927 "Ultraschall-Tauchtechnik-Prüfung zur Bestimmung des
makroskopischen Reinheitsgrades von gewalzten oder geschmiedeten Stäben aus
Stahl". Muss aber der mikroskopische Reinheitsgrad bestimmt werden, so müssen
die hier vorgeschlagenen Prüftechniken versagen, da die Ultraschallprüfung als
integrales Verfahren alle Reflektoren, die sich innerhalb eines Schallbündels
befinden, erfasst und diese als einen entsprechend großen Reflektor darstellt. Daher
bietet sich als Lösung - wenn überhaupt - nur die Verwendung von stark fokussierten,
hochfrequenten Prüfköpfen an.
Die durchgeführten Messungen haben dies bestätigt, so dass es durchaus möglich
ist, mit einer geeigneten Ultraschall-Messtechnik den mikroskopischen Reinheitsgrad
von Stählen zu bestimmen. Die erzielbare Genauigkeit hängt aber im
Wesentlichen davon ab, wie hoch die Anzahl der Einschlüsse pro Volumenanteil ist,
also letztendlich vom Schallbündeldurchmesser.
With increased usage of highly demanded, modern materials on safety
relevant parts (e.g. railway wheel sets, generator shafts, turbine disks, medical
implants, etc.) comprehensive analyses regarding the quality of the material are
requested. This gives a focus to non-destructive methods using ultrasound immersion
tank testing for classifying the degree of purity. Two autonomous standards,
ASTM E588 and SEP 1927, have been established for the definition, execution and
evaluation for this high resolution ultrasonic measurements on steel products.
The propagation of ultrasonic waves and the resulting sound field are strongly
dependent on the acoustical properties of the inspected material and the geometry
of probes and specimen. The definition of the measurement setup and the evaluation
methods appear to differ significantly in the given standards. ASTM E588 and
SEP 1927 prescribe the requirement for surface roughness and probe selection, are
using threshold based methods for cleanliness detection, but differ in computation
for the degree of purity. This has been the motivation for a comparison between
both standards with the main focus on amplitude depth dependency and overall spatial
resolution taking the influence of different material characteristics, geometry of
the specimen and sound fields into account.
A performance comparison between the use of non-focusing and focusing probes
respective to the threshold based detection will be presented in this contribution. In
addition, the usage of complex reconstruction algorithms (e.g. SAFT, echo tomography)
is compared with the traditional approaches of inclusion detection and
estimation of the degree of purity
Die Zahl der industriellen Anwendungen mit Einsatz von Faserverbundwerkstoffen wächst kontinuierlich vor allem wegen der exzellenten Materialeigenschaften und des geringen Gewichtes dieses Werkstoffes. Entsprechend steigen die Anforderungen an zerstörungsfreie Prüfsysteme zur Gewährleistung des sicheren Betriebes von Komponenten und Strukturen bestehend aus Verbundwerkstoffen.
Im Rahmen des EU-Projekes VITCEA (Validated Inspection Techniques for Composites in Energy Applications) wird das Ziel verfolgt, neue Prüfverfahren für moderne Verbundwerkstoffe zu entwickeln und zu validieren. Im Vordergrund steht hierbei als Applikation im Industriesektor Energieversorgung die Prüfung von sicherheitsrelevanten Komponenten von onshore und offshore Windkraftanlagen, wie z.B. deren Rotorblätter und tragende Strukturen.
Eine Teilaufgabe innerhalb des Projektes stellen der Vergleich und die Validierung verschiedener Ultraschallprüfmethoden bezüglich ihrer Fähigkeit zum Nachweis der typischen Herstellungs- und betriebsbedingten Materialschädigungen von CFK und GFK dar.
Neben verschiedenen konventionellen Ultraschall-Prüftechniken, werden die Phased-Array-Prüfung, insbesondere die Prüfung mit Matrixarrays, sowie die Untersuchung mit berührüngsloser Luftultraschalltechnik bezüglich ihrer Nachweisgrenzen und der Möglichkeiten zur Fehlercharakterisierung an Faserverbundwerkstoffen untersucht. Die Ergebnisse werden mit Untersuchungen mit thermographischen Methoden und Mikrowellentechnik verglichen.
High resolution examination of safety-relevant parts in immersion tank testing with focussing probes is forming a main topic of modern non-destructive testing. For the usage of complex reconstruction methods and algorithms, an individual and detailed knowledge about the transmission behaviour of the used probes is essential, as this has a significant influence on the results of data reconstruction.
Especially the knowledge about position and diameter of the focal point is needed to achieve the highest possible sensitivity. Through the individual position of the beam axis within the examined volume, a four dimensional metro logical determination of the acoustical pressure (x, y, z, t) is necessary. With the measured data it is possible to draw interferences about the sound field and acoustical pressure distribution. The presented work realized a method of automatic determination of the beam axis, the position of focal point and the focal diameter to support individual testing setups and transducer characterization.
Für eine hochauflösende Untersuchung von sicherheitsrelevanten Bauteilen innerhalb der Tauchtechnik haben fokussierende Prüfköpfe eine hohe Verbreitung erlangt. Für den Einsatz moderner und komplexer Rekonstruktionsverfahren bildet jedoch die Kenntnis über Schallfeldgeometrie, insbesondere die Lage und Ausdehnung der Fokusbereichs und die Empfindlichkeit des verwendeten Prüfkopfs in Abhängigkeit zum Schallweg, eine entscheidende Rolle für die Datenrekonstruktion und die abschließende Bauteildiagnose.
Für die automatisierte Bestimmung der wichtigsten Kenngrößen (bspw. Lage und Länge des Fokuspunkts bzw. Fokusschlauchs, sowie des Schallbündel-durchmessers) wurde die Schalldruckverteilung mechanisiert, vierdimensional (x,y,z,t) vermessen und unter Einsatz der digitalen Signal- und Bildverarbeitung, ein vollautomatisches Analysewerkzeug erarbeitet. Weiterhin konnte anhand des Messdatensatzes und unter Einsatz von dreidimensionalen Rekonstruktions- und Visualisierungstechniken das Schallfeld bzw. die Schalldruckverteilung dreidimensional abgebildet werden und für etwaige Nachuntersuchungen von Simulationsergebnissen oder allein zur Visualisierung eingesetzt werden.
Regelwerke zur zerstörungsfreien Bestimmung des Reinheitsgrades wie das SEP 1927 und die ASTM E588 erreichen ihre Vergleichbarkeit unter Anwendung von - vergleichsweise einfachen - Referenzfehlern. Hinsichtlich Realisierbarkeit wird somit der Kompromiss zwischen Herstellung des Referenzfehlers und der erreichbaren Nachweisgrenze gefunden. Zur Weiterentwicklung über die Grenzen der SEP1927 hinaus, wurde der Versuch unternommen Fehler kleiner 500 μm herzustellen - welche aufgrund der geringen geometrischen Ausdehnung fertigungsbedingt schwierig zu realisieren sind. Bei den vergleichenden Untersuchungen kristallisierten sich zwei Fertigungsverfahren, Funkenerosion (EDM: electrical discharge maching) und die Fertigung der Bohrungen unter Verwendung eines Hochleistungslasers, als vielversprechend heraus. Zunächst wurden die Fehler mit beiden Verfahren in unterschiedlichen Größen (100, 250 und 100 μm) und Tiefen (1, 1,5 und 2 mm) unter Anwendung von computertomographischen Verfahren der Röntgenprüfung, die Geometrie der eingebrachten Fehlstellen und anschließend durch hochauflösende Tauchtechnikmessungen das Reflektionsverhalten charakterisiert.
A semi-automatic thermographic procedure for the assessment of the welded area of resistance projection welded joints has been developed. Currently, to assess the quality of RPW joints destructive tests are used and the more commonly used non-destructive technique is the ultrasonic one. The possibility for a quantitative evaluation of the welded area by thermographic technique has been proved by means of an innovative procedure applied on steel RPW joints with ‘as it’ surface conditions. Measurements obtained by thermography and ultrasound have been compared, to verify the developed procedure.
This guideline was drafted following and complementing the norm ISO 22232-2:2020(E) to include air-coupled ultrasonic transducers. This document specifies the characteristics of probes used for non-destructive air-coupled ultrasonic testing with center frequencies above 20 kHz, with focusing or without focusing means.
Composite-overwrapped pressure vessels (COPV) are increasingly used in the transportation industry due to their high strength to mass ratio. Throughout the years, various designs were developed and found their applications. Currently, there are five designs, which can be subdivided into two main categories - with a load-sharing metal liner and with a non-load-sharing plastic liner. The main damage mechanism defining the lifetime of the first type is fatigue of the metal liner, whereas for the second type it is fatigue of the composite overwrap. Nevertheless, one damage type which may drastically reduce the lifetime of COPV is impact-induced damage. Therefore, this barely visible damage needs to be assessed in a non-destructive way to decide whether the pressure vessel can be further used or has to be put out of service. One of the possible methods is based on ultrasonic waves. In this contribution, both conventional ultrasonic testing (UT) by high-frequency bulk waves and wavenumber mapping by low frequency guided waves are used to evaluate impact damage. Wavenumber mapping techniques are first benchmarked on a simulated aluminium panel then applied to experimental measurements acquired on a delaminated aluminium-CFRP composite plate which corresponds to a structure of COPV with a load-sharing metal liner. The analysis of experimental data obtained from measurements of guided waves propagating in an aluminium-CFRP composite plate with impact-induced damage is performed. All approaches show similar performance in terms of quantification of damage size and depths while being applied to numerical data. The approaches used on the experimental data deliver an accurate estimate of the in-plane size of the large delamination at the aluminium-CFRP interface but only a rough estimate of its depth. Moreover, none of the wavenumber mapping techniques used in the study can quantify every delamination between CFRP plies caused by the impact, which is the case for conventional UT. This may be solved by using higher frequencies (shorter wavelengths) or more advanced signal processing techniques. All in all, it can be concluded that imaging of complex impact damage in fibre-reinforced composites based on wavenumber mapping is not straightforward and stays a challenging task.
Die üblichen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall basieren auf der Verwendung von flüssigen Koppelmitteln. Luftgekoppelte Prüfung setzt sich gegen die konventionellen Verfahren durch, wenn die Flüssigkeit nicht erwünscht oder den Prüfling gar beschädigen kann. Zwei Technologien für Erzeugung von Ultraschallsignalen sind vielversprechend: thermoakustische Wandler und Ferroelektret-Wandler. Basierend auf diesen beiden Technologien wurden Array-Sender gebaut und in diesem Beitrag miteinander verglichen.
Thermoakustische Wandler basieren auf Dünnschichttechnologie und bieten eine resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall. Sie bestehen aus einer dünnen elektrisch leitenden Schicht und werden mit kurzen elektrischen Pulsen angeregt. Die Erhöhung der thermischen Energie führt zur Erzeugung von akustischen Wellen in der umgebenden Luft.
Bei Ferroelektret-Wandlern handelt es sich um polarisierte zelluläre Kunststoffe, die für den Bau eines Array-Senders besonders gut geeignet sind. Einige Ferroelektrete weisen eine hervorragende an Luft angepasste akustische Impedanz auf, so dass auf den Einsatz von Anpassschichten verzichtet werden kann. Ein sehr niedriges mechanisches Übersprechen zwischen einzelnen Elementen ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre.
Mit der Phased-Array-Technik können elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für eine luftgekoppelte Prüfung genutzt werden. Die Schallfelder von diesen beiden Technologien wurden berechnet, gemessen und miteinander verglichen. Die Vorteile und Nachteile der beiden Technologien werden dargestellt.
Phased-Array-Prüfköpfe für luftgekoppelte Ultraschallprüfung auf Basis von zellulären Kunststoffen
(2023)
Luftgekoppelte Ultraschallprüfung setzt sich immer häufiger gegen die konventionelle Ultraschallprüfung von Leichtbaukomponenten durch, und zwar in vielen Industriezweigen von der Holzindustrie bis zur Luftfahrt. Während die Phased-Array-Technik mittlerweile zu dem industriellen Standard im Bereich der Prüfung mit Ankopplung gehört, wird luftgekoppelte Ultraschallprüfung meist mit zwei Wandlern in Durchschallung durchgeführt. Deswegen werden Vorteile der Phased-Array-Technik wie beispielsweise elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für luftgekoppelte Prüfung selten genutzt.
In diesem Beitrag werden die laufenden Arbeiten an der Entwicklung eines neuen Phased-Array-Geräts vorgestellt, mit dem Schwerpunkt an der Charakterisierung der Prüfköpfe und ihrer Schallfelder. Das Gerät besteht aus einem linearen Phased-Array-Prüfkopf, einer Sende- und einer Empfangseinheit. Die Hauptinnovation unserer Arbeit ist die Anwendung von zellulären Kunststoffen für den Bau eines Arrays, wobei der Sender mit Hochspannung von ca. 1500 V angeregt wird. Geladene zelluläre Polymere werden auch Ferroelektrete oder Piezoelektrete genannt. Sie weisen ein sehr niedriges Elastizitätsmodul und dadurch eine niedrige akustische Impedanz auf, so dass auf den Einbau von Anpassschichten verzichtet werden kann.
Eine sehr niedrige mechanische Kreuzkopplung bei Ferroelektreten ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre. Die Entwicklung der Array-Prüfköpfe wurde durch Berechnungen des Schallfeldes unterstützt, die auf Punktquellensynthese basieren. Die beabsichtigte Anwendung von Phased-Array-Prüfköpfen und des Prüfsystems sind die Durchschallung mit Fokussierung, elektronischer Scan und die Schwenkung des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, angewandt an carbonfaserverstärkten Kunststoffen und ähnlichen Materialien. Die Anwendung von geführten Wellen bietet die Perspektive, Bauteile mit einseitiger Zugänglichkeit zu prüfen.
Bei der Prüfung von Werkstücken mit empfindlichen Oberflächen oder auch hydrophilen Werkstoffen sind traditionelle ultraschallbasierte zerstörungsfreie Prüfmethoden wie die Kontakttechnik oder die Tauchtechnik in vielen Anwendungsfällen aufgrund der Flüssigkeitsankopplung nicht anwendbar.
Die luft-gekoppelte Ultraschallprüfung umgeht diese Problematik und eröffnet neue Prüfszenarien. Derzeit werden zwei Varianten der Schallerzeugung als vielversprechend angesehen: ferroelektrische Folien und thermoakustische Dünnschichtwandler. Thermoakustische Wandler ermöglichen die resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall und somit kurze zeitliche Impulse sowie eine sehr breitbandige Anregung. Durch die Verwendung von gekrümmten Substraten ist sowohl eine Herstellung von planaren als auch fokussierten Wandlern möglich.
Dieser Beitrag präsentiert die letzten Forschungsergebnisse im Bezug auf thermoakustischen Wandlern, welche derzeit in einen thermoakustischen Gruppenstrahler münden. Gruppenstrahler erlauben die simultane Änderung des Einschallwinkels, sowie die Verschiebung des Fokuspunktes während der Verwendung.
Durch die Verbindung beider Schlüsseltechnologien, der thermoakustischen Anregung und des Gruppenstrahlerprinzips, wird das Spektrum der klassischen ZfP-Anwendungen, sowie moderner Ansätze wie der Anregung von geführten Wellen oder der Strukturüberwachung erheblich erweitert und bereichert.
Dabei soll innerhalb dieses Beitrages auf die Modellierung des Schallfeldes, die elementweise Charakterisierung und verschiedene Anwendungsszenarien eingegangen werden.
Zur Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern werden mehrere verschiedene Methoden und Verfahren angewendet. Durch die unterschiedlichen Herangehensweisen werden oft unterschiedliche Prüfkopfpara-meter und Schallfeldgrößen ermittelt, was einen direkten Vergleich von Datenblättern erschwert. Für die Charakterisierung von Kontakt- und Tauchtechnikprüfköpfen hat sich ISO 22232-2:2021 bereits etabliert, allerdings ist diese Norm nicht auf die luftgekoppelten Wandlertechnologien direkt übertragbar. Daher erkannten Hersteller, Forschungseinrichtungen und Anwender den Bedarf an einer Richtlinie zur einheitlichen Charakterisierung von luftgekoppelten Wandlern. Gemeinsam arbeiten sie aktuell im Rahmen des Unterausschusses „Luftgekoppelte Ultraschallprüfung“ der DGZfP an der Erstellung einer solcher Richtlinie mit dem Anspruch, die bestehende Normung um die luftgekoppelte Prüfung zu erweitern und somit die Vereinheitlichung der Charakterisierung dieser Wandler zu erleichtern.
In diesem Beitrag wird ein Überblick über den geplanten Inhalt der Richtlinie und über die Methoden zur akustischen Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern gegeben. Insbesondere werden verschiedene Methoden der Ermittlung von wichtigen Wandlerparametern wie z.B. Empfindlichkeit, Mittenfrequenz, Bandbreite, Fokusgröße und Fokusabstand dargestellt und verglichen.
Trotz moderner Sensortechnologien und Rekonstruktionsmethoden, findet
die manuelle und automatisierte Ultraschallprüfung durch konventionelle Senkrecht- und Winkelprüfköpfe vielfach industriellen Einsatz. Um einen flexiblen Prüfeinsatz und die Prüfbarkeit von einfachen sowie komplexen Geometrien zu gewährleisten, werden dort oftmals Vorlaufkeile für die Winkelprüfung mit Longitudinalwellen angewendet um eine Anzeigenschräglage und deren Reflektivität auszugleichen bzw. zu verbessern. Durch den unterschiedlichen Aufbau, im Vergleich zu integrierten Scherwellen-Winkelprüfköpfen, können jedoch während der Prüfung Fehlanzeigen generiert werden.
Diese fehlerhaften Anzeigen beruhen auf Mehrfachreflexionen und Wellenumwandlungen innerhalb des Vorlaufkeils, aufgrund der Geometrie, und können im Feld nur bedingt von realen Anzeigen unterschieden werden. Dieser Beitrag zeigt die geometrische Betrachtung bei der Verwendung von Vorlaufkeilen und wurde experimentell durch die Bestimmung der Richtcharakteristik und dem Einsatz von elektrodynamischen Sonden validiert.
Des Weiteren ermöglichen die so gewonnenen Abhängigkeiten einen vom Keilwinkel abhängigen Verstärkungsausgleich und somit eine korrekte Größenbestimmung durch einen geeigneten Vergleichsfehler.
Trotz moderner Sensortechnologien und Rekonstruktionsmethoden, findet die manuelle und automatisierte Ultraschallprüfung durch konventionelle Senkrecht- und Winkelprüfköpfe vielfach industriellen Einsatz.
Um einen flexiblen Prüfeinsatz und die Prüfbarkeit von einfachen sowie komplexen Geometrien zu gewährleisten, werden dort oftmals Vorlaufkeile für die Winkelprüfung mit Longitudinalwellen angewendet um eine Anzeigenschräglage und deren Reflektivität auszugleichen bzw. zu verbessern. Durch den unterschiedlichen Aufbau, im Vergleich zu integrierten Scherwellen-Winkelprüfköpfen, können jedoch während der Prüfung Fehlanzeigen generiert werden. Diese fehlerhaften Anzeigen beruhen auf Mehrfachreflexionen und Wellenumwandlungen innerhalb des Vorlaufkeils, aufgrund der Geometrie und können im Feld nur bedingt von realen Anzeigen unterschieden werden. Dieser Beitrag zeigt die geometrische Betrachtung bei der Verwendung von Vorlaufkeilen und wurde experimentell durch die Bestimmung der Richtcharakteristik und dem Einsatz von elektrodynamischen Sonden validiert. Des Weiteren ermöglichen die so gewonnenen Abhängigkeiten einen vom Keilwinkel abhängigen Verstärkungsausgleich und somit eine korrekte Größenbestimmung durch einen geeigneten Vergleichsfehler.