Moderne Ultraschallprüfsysteme für Polymerwerkstoffe

Kurzfassung

Bauteile aus Faserverbundstrukturen weisen hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit auf und werden deshalb zunehmend im Luft- und Raumfahrtbereich eingesetzt [1]. Primärbauteile müssen nach der Fertigung im Rahmen einer Qualitätssicherung zu 100 % geprüft werden und nach festgelegten Intervallen während des Betriebs. Die Ultraschallprüftechnik ist das am häufigsten eingesetzte zerstörungsfreie Prüfverfahren und kann zur Anzeige verdeckter Fehlstellen, wie zur Bildgebung, der inneren Struktur von Bauteilen und auch zur Materialcharakterisierung eingesetzt werden [2-6]. Für nichtmetallische Werkstoffe wie Polymerwerkstoffe sind die Anforderungen höher als bei metallischen, weil wechselnde Schallgeschwindigkeiten in Verbundstrukturen, Inhomogenitäten, Anisotropie und erhöhe Schallschwächung sowie Streuungen als zusätzliche Einflüsse hinzukommen. Daher sind einerseits Ultraschallprüfgeräte mit erweitertem Frequenzbereich nach tieferen Frequenzen erforderlich, andererseits für dünne Bauteile hohe Frequenzen und für Bauteile mit einem großen Dickenbereich ein hoher Dynamikbereich notwendig. Die akustische Ankopplung zwischen dem Prüfkopf (Sensor) und dem Bauteil kann bei der manuellen Prüfung mit einem Gel erfolgen. Bei automatischen bildgebenden Prüfungen kommen Tauchtechnik und Wasserspaltankopplung in Frage [6]. Wegen der Schallschwächung im Material erzeugen tiefer liegende Reflektoren kleinere Amplituden als solche mit kleinem Abstand zur Oberfläche. Deshalb ist ein Tiefenausgleich d. h. eine mit zunehmender Laufzeit erhöhte Verstärkung erforderlich. Bei automatischen Prüfungen mit Bildgebung bewegt ein Manipulationssystem den Prüfkopf mäanderförmig über das Bauteil. Die Prüfung sollte möglichst schnell erfolgen. Daher muss das System eine single-shot Charakteristik aufweisen und möglichst viele Ultraschallimpulse pro Sekunde verarbeiten. Wegen der großen Unterschiede der Materialien und der Bauteile ist eine Optimierung für die jeweilige Anwendung erforderlich. Beträgt die Impulsfolgefrequenz 20 kHz, so kann bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 500 mm/s mit einer (mechanischen) Auflösung von 0,01 mm geprüft werden.