Die Ultraschallprüfung bietet die Möglichkeit, verborgene Details im Inneren von Materialien aufzuspüren, ohne dass man sie von außen sehen könnte. Im industriellen Einsatz ermöglicht sie Kosteneinsparungen in der Produktion durch eine frühzeitige Erkennung von Ausschussteilen. Aber auch eine bessere Umweltbilanz durch Reduktion von Energie- und Ressourcenaufwand rückt zunehmend in den Fokus.
Mit ihrem Ansatz, Ultraschall via Laser zu erzeugen und daraus Bilder zu erstellen, ermöglicht die Wiener Xarion Laser Acoustics eine zerstörungsfreie Prüfung vollkommen ohne Kontaktmedium wie Gel oder Wasser. Das Besondere daran: Herkömmliche Ultraschallprüfung benötigt immer ein Koppelgel, was bei der Roboter-gestützten Inline-Qualitätskontrolle unpraktikabel ist. Denn die auf dem Fließband vorbeilaufenden technischen Erzeugnisse möchte man natürlich nicht nass machen oder berühren. Aus diesem Grund wird die Technologie von Xarion bereits von zahlreichen Kunden in der Autobranche, aber auch in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, darunter Porsche und Airbus.
Das unsichtbare Ohr der Qualitätskontrolle
Die Ultraschall-Technologie wird oft nur mit medizinischen Bildgebungsverfahren in Verbindung gebracht. Doch sie findet auch in einer Vielzahl von fertigenden Industrien Anwendung. Die Technik nutzt Schallwellen, die für das menschliche Ohr nicht hörbar sind. Aus dem Echo der Ultraschallwellen werden Bilder erzeugt, die über die innere Beschaffenheit des Prüfteils Auskunft geben und so Informationen zur Verfügung stellen, die dem menschlichen Auge oder einer Kamera nicht zugänglich sind.
In herkömmlichen Ultraschallanwendungen, wie etwa auch in der Medizin, wird ein Kontaktgel oder Wasser verwendet, um die Schallwellen effektiv vom Gerät in den Prüfling und vice versa zu übertragen. Das Kontaktmedium dient dazu, Luft zwischen dem Ultraschallkopf und der Oberfläche zu eliminieren, die sonst die Schallübertragung stören würde.
Setzt man ein herkömmliches Ultraschallgerät ein, ohne vorher ein Gel aufzutragen, gehen über 99 % der Schallwellen an der Oberfläche durch Reflexion verloren, sodass kein Prüfbild erzeugt werden kann. Konventionelle Ultraschallprüfung ist zudem sehr zeit- und arbeitsintensiv, da sie im Regelfall per Hand von einer ausgebildeten Fachkraft durchgeführt werden muss.
Xarion nutzt stattdessen einen Anregungslaser, um mittels eines kurzen Laser-Lichtblitzes den Ultraschall direkt im untersuchten Material zu erzeugen. Je nach dessen Beschaffenheit entstehen dabei unterschiedliche Schallprofile unter der Oberfläche. In diesen Schallprofilen steckt Information über den inneren Aufbau und Zustand des Materials. Man kennt das Phänomen aus der Musik, wo der gleiche Ton je nach Instrument unterschiedlich klingt. Auch die Erfassung der Schallprofile erfolgt mittels Laser. Xarion „lauscht“ dazu mit einem patentierten optischen Mikrofon berührungsfrei den zurückgeworfenen Echos.
Bei konventionellen Ultraschallsystemen muss für verschiedene Fehlerarten jeweils ein eigener Prüfkopf verwendet, also sozusagen ein eigener Ton angeschlagen werden. Xarion hingegen kann durch die Laseranregung ganze sieben Oktaven an Tonfrequenzen gleichzeitig zum Schwingen bringen. Das bedeutet, dass ein technisches Erzeugnis – wie etwa ein Flugzeugteil, ein Halbleiterchip oder eine Batteriezelle – durch einen einzigen Prüfvorgang rasch erfasst werden kann. Somit sind nicht länger mehrere Prüfdurchgänge mit verschiedenen konventionellen Prüfköpfen nötig. Die Vielzahl an empfangenen Schallprofilen kann gleichzeitig mithilfe des optischen Mikrofons abgehört werden, ohne dass der Prüfling berührt werden muss.
„Wir können mit unserer Prüfmethode nicht nur berührungslos, in einem gewissen Abstand zum Bauteil, sondern insbesondere auch ohne Einsatz eines Kontaktmittels wie Gel messen“, erklärt Gründer und CEO Dr. Balthasar Fischer. „Eben dieses Kontaktmedium verhindert oft, dass konventionelle Ultraschallprüftechniken automatisiert werden können. Unser Prüfprozess ist im Gegenzug leicht automatisierbar und entsprechend auch für die Anwendung auf großen Industrierobotern geeignet. Wir können damit kleinste Risse, Löcher oder Lufteinschlüsse unter der Oberfläche detektieren, während die Prüfmaschine an der Fertigungslinie steht.“.
Anwendungen in der Automobilindustrie
Das schnelle Wachstum im Markt von Elektroautos und erneuerbaren Energiesystemen hat die Nachfrage nach zuverlässigen und effizienten Batterietechnologien immens erhöht. Die Sicherheit und Leistung von Batteriezellen sind von größter Bedeutung und erfordern zerstörungsfreie Prüfverfahren – und das gleich auf mehreren Stufen der Wertschöpfungskette der Batterieherstellung.
Ein praktisches Beispiel ist die Herstellung von Auto-Batteriemodulen, die aus vielen einzelnen Zellen bestehen. Diese Batteriezellen werden durch eine Wärmeleitpaste mit der Außenhülle verbunden. Eine gleichmäßige Verteilung der Paste ist entscheidend, denn mangelhaft bedeckte Bereiche können zu lokaler Überhitzung führen und im schlimmsten Fall sogar Brände verursachen.
Hier setzt die Ultraschalltechnologie von Xarion an. Durch das „Abklopfen“ der Außenhülle mit einem Laser und der Analyse der dadurch entstehenden Schallwellen lässt sich feststellen, ob Luftblasen oder Fehlstellen unterhalb der Oberfläche in der Wärmeleitpaste, dem sogenannten Gapfiller, vorhanden sind. Das Messsystem ist dabei einseitig anwendbar; Anregung und Detektion sind entsprechend in einem Prüfkopf vereint, sodass auch fertig produzierte Module vermessen werden können.
„Ultraschall ist im Allgemeinen die bevorzugte zerstörungsfreie Prüftechnik bei der Batterieprüfung“, sagt Tobias Hötzer, Senior Projektmanager bei Xarion . „Er eignet sich besonders gut für die Beobachtung dünnster Flüssigkeits- und Gasgrenzflächen, selbst durch dickere Schichten hindurch. Solche feinen Grenzflächen sind für andere Methoden wie etwa die Computertomografie eine große Herausforderung. Die Prüfdauer pro Zelle würde Stunden betragen, vom Strahlenschutz ganz zu schweigen.“
Die Möglichkeit, die Verteilung der Paste unter der Oberfläche der Batteriemodule berührungslos mit Ultraschall zu prüfen, bietet laut Hötzer die Chance, den Prüfprozess im Minuten- oder gar Sekundentakt zu automatisieren. „Ohne unsere berührungslose Technologie müssten Automobilunternehmen z. B. ganze Module regelmäßig aus der Produktion nehmen und zerstörend prüfen, was natürlich mit immensen Kosten verbunden ist.“
Ultraschalltechnik hilft bei der Batterieproduktion
Mit der zunehmenden Abhängigkeit von Batterietechnologien wachsen auch die Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf Sicherheit und Kosten. Die vollflächige und homogene Benetzung von Batteriezellen mit flüssigen Elektrolyten ist ein entscheidender Faktor für deren Lebensdauer und Zuverlässigkeit. So kann etwa eine ungleichmäßige Verteilung der Elektrolyte im Inneren der Zelle zu Sicherheitsrisiken, langfristig sogar zu Kurzschlüssen führen. Auch wirtschaftlich macht es Sinn, solche Zellen direkt beim Befüllen zu prüfen, da so durch kleine Anpassungen im Fertigungsprozess weiterer Ausschuss reduziert werden kann.
„Batteriehersteller stehen oftmals unter großem Druck, möglichst günstig einwandfreie Batterien auszuliefern“, erklärt Martin Fürst, Batteriezellenexperte bei Xarion. „Wir sind sehr stolz darauf, dass wir mit unserer kontaktlosen Technologie den Kunden entscheidende Innovationsvorsprünge ermöglichen. Die Prüfung kann inline, also direkt in der Linie, erfolgen.“
Erst kürzlich hat Xarion in Kollaboration mit Manz, einem deutschen Automatisierungsunternehmen mit starkem Fokus auf Batteriezellenproduktion, ein innovatives Ultraschall-Monitorsystem für Batteriezellen entwickelt. Bei dieser Anlage trifft ein Laser von der einen Seite auf die Zelle und das Xarion-Mikrofon hört auf der anderen Seite das Ultraschallprofil ab. Je nachdem, welche Materialien die Schallwelle auf dem Weg zum Mikrofon durchdringt, ändert sich das Schallprofil signifikant. Trockene Bereiche der Batteriezelle reflektieren den Schall, während die mit Elektrolytflüssigkeit benetzten Bereiche den Schall leiten. Dadurch können z. B. nicht benetzte Stellen leicht identifiziert werden. „Wir haben hier vor allem durch die deutlich höhere Auflösung und Messgeschwindigkeit unserer Technologie gegenüber konventionellen Systemen einen Vorteil“, so Fürst.
Bei diesen Prüfanlagen für Batteriezellen handelt es sich um Stand-alone-Systeme, die sowohl für die Vorproduktion oder Entwicklung als auch für die Inline-Prüfung eingesetzt werden können. Die Prüfung von Pouchzellen, prismatischen Zellen und Rundzellen – also allen gängigen Zell-Geometrien – ist damit möglich.
Aerospac- Produktion profitiert
Auch die Luft- und Raumfahrtindustrie kämpft mit Herausforderungen, wenn es um die Qualität und deren Prüfung in der Produktion geht. Schlimmstenfalls geraten Flugzeughersteller aufgrund negativer Medienberichte über mangelhafte Fertigungsqualität in wirtschaftliche Bedrängnis. Deswegen sind Flugzeugbauer mitsamt ihren Zulieferern stets auf der Suche nach zuverlässigen Methoden, die erforderliche Qualität tatsächlich zu garantieren.
Auch hier setzt die neue Puls-Echo-Technologie von Xarion an. Es handelt sich um ein einseitiges Prüfverfahren mit einer sehr hohen Auflösungsgrenze, mit dem das Flugzeugteil Roboter-gestützt völlig kontaktfrei abgescannt werden kann. Das Verfahren ermöglicht die Ultraschallprüfung ganzer Flugzeugteile, nahezu unabhängig von ihrer Kontur, Form und Größe. Aufgrund der geringen Größe der Prüfköpfe und der Kontaktlosigkeit können sogar schwer zugängliche Stellen problemlos auf Risse, innere Löcher oder Ablösungen getestet werden.
„Wir bieten Flugzeugherstellern die Möglichkeit, ganze Bauteile effektiv und schnell auf innere Fehlstellen zu überprüfen. Dabei verlieren wir aber nicht die Kosten und die Wettbewerbsfähigkeit unserer Kunden aus den Augen“, erklärt Markus Pešek, Applikationsingenieur bei Xarion und Experte für Puls-Echo-Verfahren. „Vor allem unsere Flexibilität wird von unseren Kunden sehr geschätzt. Denn wir können mit dem gleichen Sensor nicht nur Metall und Kohlefaserverbindungen, sondern auch offenporige Bauteile und Honigwabenstrukturen ohne Kontaktmedium wie Wasser oder Gel analysieren.“
Gerade in der Raumfahrtindustrie, zum Beispiel bei der Produktion von Raketen- oder Satellitenteilen, ist der Einsatz von Ultraschallgel oder Wasser problematisch, oft sogar verboten. Während herkömmliche Ultraschalltechnologien deswegen wegfallen, bietet Xarion hier die Möglichkeit, Bauteile unterschiedlichster Art auf innere Fehlstellen zu überprüfen. Die Wiener kooperieren hier bereits mit Airbus; auch amerikanische Raketenhersteller setzen auf die Technologie.
Turnkey-Laborsysteme für die Industrie
Um neue Technologien vor dem Einbau in die Produktionslinie eingehend testen zu können, bietet Xarion neben kundenspezifischen Sonderanlagen auch sogenannte Leasys-Turnkey-Laborsysteme an. Unter diesem Label steht eine ganze Palette standardisierter und modularer Laborscanner zur Verfügung. Diese sind nicht nur in Forschungs- und Entwicklungsabteilungen beliebt, sondern können auch als Atline-Stationen direkt in der Produktion eingesetzt werden. Dabei können flexibel verschiedene Größen, Positioniersysteme und für die jeweiligen Anwendungen optimale Prüfköpfe ausgewählt werden.
„Die Möglichkeit, unsere Technologie zuerst mit einem Leasys-Scanner in einer Pilotanlage zu erproben, wird von unseren Kunden als entscheidender Vorteil angesehen“, sagt Dr. Josef Pörnbacher, Head of Applications bei Xarion. „Denn oft gilt: Man muss etwas erst auf Herz und Nieren getestet haben, bevor man bereit ist, Änderungen in bestehenden Produktionslinien vorzunehmen.“
Die flexiblen Systeme ermöglichen es den Kunden, eigenständig Erfahrungen zu sammeln und spezifisches Know-how zu entwickeln – laut Hersteller ein entscheidender Vorteil für Unternehmen, welche die Qualität ihrer Produkte sicherstellen und gleichzeitig ihre Produktionsprozesse optimieren möchten, ohne sofort in vollständige Systemumstellungen investieren zu müssen.
