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28.11.2017 | Werkstoffprüfung + Materialanalyse | Im Fokus | Onlineartikel

Smarte Ultraschallsysteme spüren nach Werkstofffehlern

Autor:
Dieter Beste

Sie sind kompakt, hochsensitiv, vollautomatisch, schnell: Neue Ultraschall-Messsysteme können künftig Schweißnähte von Abtriebswellen während der Getriebeherstellung prüfen – ohne, dass eine umständliche Probenentnahme erforderlich wäre. 

Im Werk der ZF Friedrichshafen AG in Saarbrücken – das Unternehmen produziert hier Automatgetriebe für die Automobilindustrie – soll künftig ein neues Ultraschall-Messsystem während der Getriebeherstellung die Produktivität steigern, indem die Inspektion von Schweißnähten der Abtriebswelle, so das Ziel Entwickler des Fraunhofer-Instituts für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP), im laufenden Fertigungsprozess erfolgt.

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Abtriebswellen sind hochkomplexe, funktionsintegrierte Bauteile, die nach Herstellerangaben aufgrund der Kundenschnittstelle am Getriebeabtrieb eine hohe Varianz aufweisen und somit einen erheblichen Prüf- und Freigabeaufwand erzeugen. Bisher mussten die jeweils ersten Bauteile bei Produktwechsel entnommen werden, um sie zwecks mikroskopischer Untersuchung und zur Beurteilung der Schweißnähte metallographisch zu präparieren. Das Vorgehen bei der Ultraschallprüfung von Schweißverbindungen erläutert Springer-Autor Karlheinz Schiebold in "Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung – Ultraschallprüfung" ab Seite 297.

Automatisierter Prüfablauf

Die von den ebenfalls in Saarbrücken ansässigen Forschern des IZFP entwickelte Anlage kann nun die gesamte Schweißnahtgeometrie der ZF-Abtriebswellen innerhalb weniger Minuten mittels Hochfrequenz-Ultraschall zu 100 Prozent vermessen, heißt es in einer Mitteilung des Instituts. "Mittels QR-Code-Scanner wird das Bauteil zuerst eingelesen, damit anhand des Codes das passende Prüfprogramm automatisch gewählt werden kann. Danach legt der Prüfer das Bauteil in die mit Wasser gefüllte Prüfwanne. Innerhalb kürzester Zeit erfolgt schließlich die benutzergesteuerte Schweißnaht-Vermessung der Abtriebswellen mittels Ultraschallprüfung in Tauchtechnik ohne weitere Rüstzeit", erklärt Stefan Caspary, projektverantwortlicher IZFP-Ingenieur. Nach der Vermessung bekomme der Prüfer das Ergebnisbild des Bauteils angezeigt; die detaillierte Auswertung erfolge mit der am Institut entwickelten Software unmittelbar im Anschluss. Mit der teilautomatisierten Anlage sei man in der Lage rund 40 verschiedene Wellentypen zu vermessen. 

Neue Prüfsysteme 

Das Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) der Fraunhofer-Gesellschaft in Dresden meldet unterdessen, man habe die auf Ultraschall basierenden zerstörungsfreien Prüfverfahren deutlich verbessern können: Kommerziell verfügbare Ultraschallsensoren basieren auf herkömmlichen Piezowandlern, die in ihrer Empfindlichkeit begrenzt sind. Im Vergleich dazu bieten die am IKTS neu entwickelten Ultraschallsensoren auf Basis von piezoelektrischen Einkristallen bis zu 10 dB (Dezibel) mehr Empfindlichkeit, heißt es in einer Institutsmitteilung. Daraus, so die IKTS-Forscher, ergeben sich ein besserer Kontrast zwischen Defekten und Rauschen, eine verbesserte Auflösung in der Tiefe und letztlich auch aussagekräftigere Bilder. Ergänzend dazu ermögliche eine biplanare Arraytechnologie, dass das Schallfeld des Sensors in zwei Ebenen geschwenkt und fokussiert werden könne. Dadurch ließen sich dreidimensionale Bilder erzeugen, was bislang nur mit vergleichsweise teuren Flächensensoren möglich war. 

Eine weitere Verbesserung haben die IKTS-Forscher an der Elektronik der Ultraschallsensoren vorgenommen. Eine kompakte Vielkanalelektronik des IKTS sorgt dafür, dass deutlich mehr Sender und Empfänger auf kleinstem Bauraum integriert werden können. Dadurch erhöhten sich der Informationsgewinn sowie die Empfindlichkeit signifikant. Komplettiert werde das neue Prüfsystem von einer speziellen Breitband-Ultraschallsensorik für die Schallgeschwindigkeits- und Dämpfungsspektroskopie. Durch deren Abstrahlverhalten ließen sich ein deutlich breiteres Spektrum und somit mehr Information zum untersuchten Bauteil generieren.

Integration in Robotersysteme 

"Das IKTS ist in der Lage, komplette voll automatisierbare Prüfsysteme für die Industrie anzubieten, die hinsichtlich Fehlererkennung, Prüfsicherheit und Prüfgeschwindigkeit deutlich über den Stand bisher verfügbarer kommerzieller Systeme hinausgehen", erklärt Hennig Heuer, Abteilungsleiter Prüf- und Analysesysteme. Mit den automatisierten Ultraschallsystemen seien bereits erfolgreich neuartige Rotorblätter sowie Turbinenkomponenten aus keramischen Faserkompositmaterialien beziehungsweise Titanwerkstoffen geprüft worden.

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