Inline Materialprüfung ohne Berührung und ohne Koppelmedium

Um Verbundstoffe, Schweißnähte oder Klebeverbindungen auf Mängel hin zu testen, hat sich in Betrieben die zerstörungsfreie Prüfung mittels Ultraschall durchgesetzt. Doch da bereits ein Großteil des Schalls an der Grenzfläche zwischen Luft und Material reflektiert wird, muss ein Koppelmedium wie Wasser oder Gel aufgetragen und der Prüfkopf am Werkstück entlanggefahren werden. Dies bedingt einen umständlichen Aufbau und eine Erhöhung der Prüfdauer.

Um die Qualitätssicherung durch ein berührungsfreies Verfahren zu ermöglichen und gleichzeitig eine neue Möglichkeit zur Inline-Prozessüberwachung bereitzustellen, hat die österreichische Xarion Laser Acoustics ein neuartiges optisches Mikrofon entwickelt: Das laserbasierte Ultraschall-Mikrofon Eta250 Ultra beruht auf dem Funktionsprinzip, dass Schallwellen die Wellenlänge des Lichtes beeinflussen.

Diese Veränderung wird mit einem miniaturisierten Interferometer gemessen, und in eine proportionale Ausgangsspannung gewandelt. Dieser Ultraschall-Messvorgang lässt sich ohne Koppelmedium und berührungslos durchführen, was den Prüfaufwand deutlich reduziert, und eine automatisierte Prüfung mit Hilfe von Robotik ermöglicht. Der erfassbare Frequenzbereich von 10 Hz bis 2 MHz in Luft stellt weltweit eine Einzigartigkeit dar. Durch die kleinen und handlichen Abmessungen des Prüfkopfs lässt er sich ohne großen Aufwand an Roboterarmen oder Anlagen zur Prozessüberwachung montieren.

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"Bei der Durchführung von Ultraschallmessungen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung muss üblicherweise ein Koppelmittel, zum Beispiel ein Gel, verwendet werden", erklärt Dr. Balthasar Fischer, Unternehmensgründer und Geschäftsführer von Xarion.

"Ein Grundproblem ist hierbei, dass zerstörungsfreie Prüfungen von Werkstoffen idealerweise kontaktlos erfolgen sollten, um zum Beispiel Verschmutzungen des Materials zu vermeiden, den Prüfkörper nicht mit Wasser zu schädigen, oder auch um eine Roboter-gestützte Prüfung zu erleichtern. Luft eignet sich im Vergleich zu Wasser oder Gel jedoch nur bedingt als Koppelmedium. Es geht nämlich sehr viel Ultraschallsignal an der Material-zu-Luft-Grenzschicht verloren."

Herkömmliche Ultraschallempfänger beruhen in der Regel auf dem piezoelektrischen Prinzip, wobei die Ultraschallwelle das piezoelektrische Material in Schwingung versetzt. Damit der Schall möglichst verlustfrei in den Detektor einkoppeln kann, wird mit einem Koppelmittel die akustische Impedanz zwischen Prüfkörper und Detektor angeglichen. Dies verhindert, dass bereits an der Grenzfläche zwischen Luft und dem Piezoempfänger ein Großteil des Ultraschalls reflektiert und verloren geht, und dadurch die zerstörungsfreie Prüfung erschwert wird.

Das optische Mikrofon hingegen detektiert den Ultraschall direkt in der Luft; die Schallwelle wird nicht erst in einen Festkörper eingekoppelt und in Folge dessen Schwingung detektiert. Vielmehr misst ein Laserstrahl berührungslos die Dichteveränderung der Luft, welche durch die sich ausbreitende Ultraschallwelle entsteht. Damit entfallen eine Luft-zu-Festkörper-Grenzschicht und der damit einhergehende unerwünschte Verlust des Prüfsignals.

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Das optische Mikrofon findet auch in einem weiteren Einsatzbereich Verwendung: Bei der industriellen Prozessüberwachung werden heute meistens Kamera-Systeme eingesetzt. Bei Fertigungsprozessen, in denen Laser eingesetzt werden, darunter Laserschweißen und -strukturieren sowie in der additiven Fertigung, können optische Systeme aufgrund der starken optischen Prozessemissionen an ihre Grenzen stoßen.

Die Kamera kann buchstäblich vom Laser geblendet werden, oder Schmauch kann die Sichtverbindung einschränken. Außerdem kann keine Kamera eingesetzt werden, wenn der Fertigungsprozess auf Fehler überwacht werden soll, die unter der Oberfläche stattfinden. Beispiele hierfür sind Risse oder Porenbildung, oder eine sich ablösende Klebeschicht.

Hier stellt die akustische Prozessüberwachung eine interessante Alternative dar. Analog der komplementären menschlichen Sinneswahrnehmungen erfolgt damit die Detektion nicht nur optisch mit Kamera (entsprechend dem menschlichen Auge), sondern auch akustisch über das Mikrofon (entsprechend den Ohren).

Hintergrundlärm eliminiert

Im Falle von akustischer Überwachung setzte man bislang auf Kondensatormikrofone, welche sich aber aufgrund ihrer Empfindlichkeit auf Hintergrundlärm nur bedingt für die Überwachung der Produktion und die Qualitätskontrolle einsetzen lassen. Da in einer Fertigungshalle der Umgebungslärm oft sehr groß ist, kommt akustische Prozessüberwachung mit herkömmlichen Mikrofonen für die meisten Prozesse nicht in Frage.

Anders stellt sich die Situation beim optischen Mikrofon dar: Der messbare Frequenzbereich ist so groß, dass zwischen Hintergrundlärm (üblicherweise unter 100kHz) und wertvoller Prozesssignatur (wesentliche Anteile auch über 100kHz) mit Hilfe eines einfachen Frequenzfilters unterschieden werden kann. Die Inline- und in-process-Überwachung von Laserschweißen und -strukturieren, CNC-Fräsen, Füllstandsmessung, Leckagemessung und zahlreicher weiterer Prozesse wurde mit dem optischen Mikrofon bereits erfolgreich umgesetzt. Selbst feinste Haarrisse im Material, die mit gewöhnlichen Kameras nur schwer erkennbar sind, können mit dem optischen Mikrofon entdeckt werden.

Um einen größeren akustischen Frequenzbereich bedienen zu können, wählt Xarion keinen elektroakustischen oder mechanischen, sondern einen optischen Ansatz zur Schalldetektion: Das Unternehmen entwickelte ein laserbasiertes Messverfahren, mit dessen Hilfe sich Materialprüfungen und Prozessüberwachungen in einem sehr breiten Frequenzbereich von rund 10Hz bis 2 MHz in der Luft durchführen lassen und herkömmliche Sensoren damit um den Faktor 20 übertreffen.

Xarion nutzt mit seinem optischen Mikrofon Eta250 Ultra ein akusto-optisches Prinzip: Dabei wird zunächst ein Laserimpuls auf den Prüfling geschossen, um das Material in Schwingung zu versetzen. Das in Folge in Luft abgestrahlte Signal dieses Schall-Schock-Pulses wird daraufhin gemessen. Die Schallwellenschwingungen bewirken eine Änderung des Luftdrucks, was wiederum die Wellenlänge des Laserlichts im optischen Mikrofon beeinflusst.

„Die Schallwelle wird in ein sehr kompaktes, nur 2 Millimeter großes Interferometer im Sensorkopf gesendet“, erläutert Fischer. „Sie beeinflusst die Wellenlänge und ändert im Mini-Interferometer damit die Helligkeit des Laserstrahls, was dann gemessen wird.“. Eine bewegliche Membran, oder ein sich verformbares piezoelektrisches Material ist somit überflüssig. Damit lassen sich störende Eigenschwingungen vermeiden, die das Messergebnis auf unerwünschte Weise beeinflussen.

Das optische Mikrofon selbst benötigt für die Messungen nur sehr wenig Platz: Der Sensorkopf ist lediglich fünf Millimeter groß. Dies ermöglicht es, dass sich das Gerät ohne großen zeitlichen Aufwand und umständliche Umbau- und Anpassungsmaßnahmen der Anlagen an Roboterarmen montieren und in bereits bestehende Prüfprozesse integrieren lässt.

Dadurch werden nicht nur zerstörungsfreie Materialprüfungen, sondern auch die Inline-Prozessüberwachung (also die Qualitätsprüfung direkt während dem Herstellungsprozess) erheblich erleichtert. Über ein Glasfaserkabel ist das optische Mikrofon an eine Kontrolleinheit angeschlossen; in dieser befinden sich der Laser, die Detektionseinheit und ein Vorverstärker.

Die metallfreie Verkabelung ermöglicht auch Messungen in schwierigen Umgebungen wie etwa in der Nähe von elektromagnetischen Feldern und funktioniert auch über sehr große Distanzen ohne messbaren Signalverlust und Störungen durch Einstreuungen. So lassen sich automatisierte Fertigungsprozesse wie zum Beispiel das Laserschweißen auf die korrekte Ausführung überprüfen.

Neben der Überwachung von Fertigungsprozessen in der Automobilbranche kann das optische Mikrofon aber ebenso zur zerstörungsfreien, kontaktlosen Ultraschall-Materialprüfung von Punktschweißverbindungen, Verbundstoffen oder Klebeverbindungen eingesetzt werden. Relevante Branchen sind die Auto- und Flugzeugindustrie, aber auch andere Bereiche, in denen automatisierte Serienprüfung zur Qualitätssicherung von hoher Relevanz ist.

Xarion