Methodenentwicklung

Neue Fertigungsverfahren, komplexere Bauteile und steigende Anforderungen an die Qualität konfrontieren Unternehmen immer häufiger mit Fragestellungen, die mit etablierten Ultraschallansätzen nicht mehr gelöst werden können. Als ZfP-Spezialist entwickelt das Fraunhofer IKTS »out-of-the-box« neue und effektive Prüfmethoden für industrielle Ultraschallanwendungen und kann diese bei Bedarf mit einer zugeschnittenen Mess- und Auswertetechnik komplettieren.

Zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften, wie Schwingfestigkeit, Steifigkeit, Belastbarkeit und Dauerfestigkeit, werden stark beanspruchte Bauteile wie Nockenwellen, Zahnräder, Biege- und Presswerkzeuge aber auch Triebwerkskomponenten in ihren Randbereichen hinsichtlich ihrer mechanischen und thermischen Parameter modifiziert. Dies kann durch Kugelstrahlen von Metallen zur Gefügemodifikation (Kaltverfestigung) oder zur Einbringung von Oberflächendruckspannungen erfolgen. Eine weitere Möglichkeit ist das Randschichthärten. Mit diesen Modifikationen gehen häufig aber auch negative Änderungen, wie die Oberflächendegradation durch Mikrorissbildung, einher. In jedem Fall ist eine zerstörungsfreie Charakterisierung des Werkstoffzustands von Interesse. Mittels Rayleigh-Wellen können die gewünschten Informationen gewonnen werden. Diese Ultraschall-Wellen werden dabei an die Oberfläche des Bauteils geführt und tauchen je nach Frequenz unterschiedlich tief ein. Die frequenzabhängige Schallgeschwindigkeit (Dispersion) liefert eine Information über den Tiefengradienten der jeweiligen Eigenschaften. Über den akustoelastischen Effekt, der Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von den elastischen Spannungen, ist ein Eigenspannungs(-tiefen-)gradient erfassbar. Zur zerstörungsfreien Charakterisierung von Randschichten hat sich die laseroptische Bestimmung der Rayleigh-Wellendispersion als eine sehr genaue Charakterisierungsmethode etabliert, die jedoch aufwändig und mechanisch wenig robust ist. Das Fraunhofer IKTS hat deshalb nach einer Alternative gesucht, um Eigenspannungen in kugelgestrahlten Metallen zu charakterisieren. Mit Hilfe des am Institut entwickelten »High Resolution Ultrasound Goniometer« (HUGO) wird das Spektrum des in Immersionstechnik reflektierten Signals über den Winkel dargestellt, woraus sich eine Dispersionskurve generieren lässt. Mit diesem Ansatz konnten die Forschenden des Fraunhofer IKTS erfolgreich in mehreren Kundenprojekten den Zustand der Eigenspannung von gehärteten und kugelgestrahlten Metallen schnell und zerstörungsfrei charakterisieren. Darüber hinaus kann das Prüfgerät zur Bestimmung von Schichtdicken und Oberflächendegradationen eingesetzt werden.

Mit hochfrequenter Ultraschall-Immersionstechnik, auch Ultraschallmikroskopie oder Scanning Acoustic Microscopy (SAM) genannt, können Volumenabbilder dargestellt werden. Diese Methode ist ideal für Objekte mit kleinen Fehlstellen (Streuern) geeignet, jedoch sehr ungenau in der Detektion von schrägliegenden flächigen Inhomogenitäten wie Rissen. Mit einer neu entwickelten Messmethodik und Auswertesoftware für die Ultraschallmikroskopie löst das Fraunhofer IKTS diese Problematik. Die SAM-Tomography leistet für Objekte mit einer ebenen Einkoppelfläche deutlich mehr als die übliche Ultraschallmikroskopie, da sie auch schräg liegende flächige Defekte korrekt detektieren und darstellen kann.

Die Optimierung von Ultraschallprüfverfahren setzt eine detaillierte Kenntnis der Ultraschallwellenausbreitung voraus. Als Werkzeug kommt dabei die numerische Simulation zum Einsatz, die jedoch mit zunehmender Komplexität, z. B. fehlende oder ungenaue Eingangsparameter, scheitert. Experimentelle Methoden zum Kenntnisgewinn sind dann unverzichtbar. Die Forschenden des Fraunhofer IKTS verfügen über langjährige Erfahrungen in der Vermessung von Ultraschall-Wellenfeldern mit verschiedensten Methoden. Als besonders geeignet hat sich dabei die laservibrometrische Vermessung der Ultraschallausbreitung an Oberflächen oder Querschnitten erwiesen. Diese vollkommen rückwirkungsfrei arbeitende Methode liefert Schnappschüsse und Filme der Wellenausbreitung und eignet sich insbesondere für faserverstärkte oder elastisch stark anisotrope Materialien, wie austenitische Schweißnähte. Zudem lassen sich auch für defektbasierte Wechselwirkungen entscheidende Erkenntnisse bezüglich der Ultraschall-Wellenausbreitung gewinnen.

Eine sich entlang einer Oberfläche ausbreitende Ultraschallwelle trägt nicht nur Information über die makroskopisch variierenden elastischen Eigenschaften mit sich, sie enthält auch Informationen über die Mikrostruktur des zu untersuchenden Objekts. Den Forschenden des Fraunhofer IKTS ist es gelungen, mittels laservibrometrischer Vermessung von streifenden Ultraschallwellen die Mikrostruktur sichtbar zu machen. Diese neue Art von elastodynamischer Nahfeldmikroskopie, »Grazing Incidence Ultrasound Microscopy« (GIUM), stellt für Kornstrukturanalysen eine Alternative zur Metallographie dar und kommt ohne das Ätzen aus. Im Vergleich zur Elektronenrückstreubeugung (EBSD) verzichtet GIUM auf ein Vakuum und erlaubt deutlich größere Proben.

Das Fraunhofer IKTS bietet für industrielle Aufgabenstellungen innovative Lösungsansätze mit Ultraschallmethoden an. Darüber hinaus stehen weitere ZfP-Verfahren zur Verfügung, die je nach Fragestellung folgende Schritte komplett oder teilweise durchlaufen:

• Analyse der Fragestellung
• Suche nach bekannten Lösungen oder Lösungsansätzen
• Modellierung des Sachverhalts
• Experimentelle Untersuchungen
• Demonstration der Machbarkeit
• Entwicklung/Adaption von Sensorik und/oder Elektronik
• Entwicklung von Software
• Dienstleistungsmessungen oder Lieferung eines Prüfsystems