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Getaktete Gruppenstrahlertechnik

Qualitätsverbesserung durch Sampling Phased Array
Getaktete Gruppenstrahlertechnik

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Am Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP wurde 2004 eine Prüftechnologie entwickelt, die im Vergleich zur konventionellen Gruppenstrahlertechnik verbesserte Werkstoffprüfung ermöglicht.

Die Sampling Phased Array Technologie (SPA) oder „Getaktete Gruppenstrahlertechnik“ zeichnet sich durch höhere Prüfgeschwindigkeiten und optimierte Aussagekraft aus, sogar bei inhomogenen anisotropen Werkstoffen wie Kohlefasern, oder austenitische Stählen und Schweißverbindungen.

Durch die ständig steigenden Anforderungen an Qualität und technische Sicherheit von Industrieprodukten ist auch die Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung gefordert, immer exaktere und dabei effizient und unkompliziert durchführbare Prüfverfahren zu entwickeln. Am Fraunhofer IZFP wurde eine Lösung gefunden, die klassische Gruppenstrahlertechnik zu erweitern: Durch den Einsatz des Sampling Phased Array Prinzips wurde auf die klassische Schallfeldsteuerung verzichtet und stattdessen die Vermessung von US-Elementarwellen mit anschließender Synthetisierung von Ultraschallsignalen und Bildern genutzt. Die Taktung der Sensorelemente und die Messung der Empfangssignale jedes einzelnen Sensorelements erlaubt eine Summation der Signale unter Berücksichtigung der Bauteilgeometrie und tatsächlichen Laufzeiten des Ultraschalls im Material. Die Prüfergebnisse sind durch ein optimiertes Fehlernachweisvermögen gekennzeichnet, da die synthetische Fokussierung (tomografisches Prinzip) zu einer besseren Prüfempfindlichkeit und einem besseren Auflösungsvermögen führen.
Die getaktete Gruppenstrahlertechnik ist physikalisch äquivalent zur konventionellen Technik der Schallfeldsteuerung, verfügt aber zusätzlich über wesentliche Vorteile: Neben einer erheblichen Beschleunigung des Prüfvorgangs, erzielt SPA eine verbesserte Aussagekraft durch synthetische Fokussierung in jedem Punkt des Prüfvolumens, sogar bei anisotropen Werkstoffen. Zudem kann die Qualität der Ultraschallprüfergebnisse durch 2– und 3-dimensionale Bildgebung unter Echtzeit-Bedingungen gemessen werden. Dabei lassen sich Prüfergebnisse sowohl nach klassischen Bewertungskriterien, wie zum Beispiel AVG-Verfahren, als auch mit modernsten Bildanalyseverfahren automatisch auswerten. Ein weiterer Vorteil der Sampling Phased Array-Plattform ist ihre Modularität: Durch das universelle Messprinzip und den modularen Aufbau der Hardware und Software ist es möglich, alle bestehenden und schon qualifizierten Techniken, wie etwa herkömmliche Prüfungen mit Einzelschwinger-Wandlern oder konventioneller Gruppenstrahlertechnik zu integrieren.
Das Sampling Phased Array Prinzip beinhaltet Möglichkeiten einer quantitativen, zerstörungsfreien Ultraschallprüfung für klassische Prüfanwendungen wie Guss-, Walz- und Schmiedekomponenten. Auch Prüfungen an akustisch anisotropen Schweißnahtverbindungen sowie an Leichtbauwerkstoffen wie Faserverbundwerkstoffen der Luft- und Raumfahrt sind mit der einfachen und kostengünstigen Gerätetechnik und Software durchführbar. Ein weiteres Anwendungsgebiet der SPA-Systeme sind bildgebende Prüfungen von Betonbauwerken.
Anwendungsbeispiel: Prüfungen von Stahl- und Gusskomponenten
Neben schnellen Prüfungen nach gültigen Regelwerken bietet die Sampling Phased Array Technik wesentliche Vorteile bei Prüfungen von massiven Stahl- und Gusskomponenten, die auf tomografische Bildrekonstruktion zurückzuführen sind. Während die klassische Fehlerbewertung nach sogenannten Ersatzreflektorgrößen in der Regel keinen oder nur einen bedingten Bezug zu tatsächlichen Fehlerabmessungen hat, können in den 2- und 3-dimensionalen Bildern der SPA-Technik Materialfehler in ihrer realen Dimension dargestellt und vermessen werden. Typische Probleme und Herausforderungen, wie zum Beispiel starke Ultraschallstreuung im Guss und in grobkörnigen Austenitstählen oder Empfindlichkeitsverluste und Schwankungen durch unebene oder verzunderte Oberflächen, können durch räumliche Mittelung der Ultraschallinformation und spezielle Filtertechniken weitgehend überwunden werden. Die Einbindung dieser Prüftechnik in automatisierte und mechanisierte Prüfanlagen verspricht enorme Verbesserung der industriellen Qualitätsstandards.
Die Bilder 4 – 6 zeigen Ergebnisse der Ultraschallprüfung an einem massiven Gussbauteil, einem Bauteil mit komplexer Geometrie und einer plattierten Schweißnaht. Alle drei Prüfaufgaben gehören zu den anspruchsvollsten in der Ultraschallprüfung. Während konventionelle Techniken hier oft an ihre Grenzen stoßen, ermöglicht die SPA-Technik einen sicheren Fehlernachweis und korrekte Fehlergrößebestimmung.
I-DEAL TECHNOLOGIES, Saarbrücken www.i-deal-technologies.com

I-Deal Technologies

Hintergrund

Die I-Deal Technologies GmbH ist 2009 als Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP in Saarbrücken entstanden mit dem Ziel, das wissenschaftliche Know-how der Sampling Phased Array Technologie (SPA) auf den Markt zu bringen. Unterstützt wurden die Gründer von Fraunhofer Venture, verantwortlich für die Ausgründungen innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft. Als strategischer Kooperationspartner des Fraunhofer IZFP liefert I-DEAL TECHNOLOGIES die produktreifen Prüfsysteme und -lösungen für die Industrie und den öffentlichen Sektor.
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