Kernkompetenz Grundlagen

Charakterisierung der Kernkompetenz

Das detaillierte Verständnis der den Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung und Charakterisierung von Werkstoffen und Komponenten zugrunde liegenden Prüfphysik, die sowohl die physikalischen als auch die werkstoffwissenschaftlichen Zusammenhänge beinhaltet, sowie ihre wissenschaftliche Durchdringung durch anwendungsorientierte Grundlagenforschung ist eine unverzichtbare Notwendigkeit, um die Anwendungsreife der im IZFP entwickelten zfP-Techniken in Form von kommerziell verwertbaren Systemen zu erreichen.

Mess- und Prüfmethoden bilden physikalische, mechanische und insbesondere Struktureigenschaften von Materialien ab. Je nach Wechselwirkung erfolgt eine adäquate Beschreibung im Ortsraum (Mikroskopie, Radioskopie u.ä.), im reziproken Raum (Reflektometrie, Diffraktometrie, Streuung) oder/und im Frequenzraum (Spektroskopische Methoden). Aus den sehr unterschiedlichen Dimensionen der für die jeweiligen Materialanforderungen charakteristischen Eigenschaften (von der Makrostruktur über Meso- und Mikrostruktur bis hin zu atomaren Dimensionen) entspringt die Anforderung nach einem breit gefächerten Sortiment von Messverfahren, die eine an die charakteristischen Größenordnungen der Fehler und Materialeigenschaften angepasste Empfindlichkeit bzw. Auflösung aufweisen.

Mit den immer höheren Anforderungen an die Perfektion von Grundmaterialien (z.B. Halbleiter-Wafer, Keramik-Substrate), mit der Tendenz zunehmender Strukturierung innovativer Materialien (Mikrostrukturierung für die Mikro-und Optoelektronik, mikrostruktierte Verbundwerkstoffe, Halbleiternanostrukturen u.ä. ) und der Miniaturisierung ganzer Systeme resultiert der gegenwärtige Bedarf nach immer höher auflösender Mess- und Prüftechnik, hier zusammengefasst unter dem Begriff Mikro-zfP. Daneben steht die unverminderte Nachfrage nach preiswerten, zuverlässigen und kundenangepassten Methoden in eher klassischen zfP-Branchen (Prüfung von Schweißnähten, Rohren, Schienen, Rädern, etc.) einschließlich der Prüfphysik für die online-Prozesskontrolle (schnelle Messwerterfassung prozesstypischer Größen, schnelle Auswertung der Daten mit Berücksichtigung der Problematik des Signal-Rauschverhältnisses).

Die Strahlphysik nutzt die Wechselwirkung von elektromagnetischen Strahlen (Mikrowellen, IR, Laserstrahlen, Röntgen) oder Teilchenstrahlen (Neutronenstrahlen) mit Materie zur Untersuchung der Struktur und Materialeigenschaften von Werkstoffen und Bauteilen sowie von technischen und natürlichen Prozessen. Schwerpunkt der Methodenkompetenz elektromagnetischer Strahlung liegt im unsichtbaren Bereich (Mikrowellen, IR, Röntgen). Optische Verfahren werden von anderen FI (z.B. dem FOF Jena) bedient und bilden am IZFP die Ausnahme. Für die Untersuchungen werden vielfältige Prozesse unterschiedlicher Wechselwirkungen genutzt (Absorption, elastische und inelastische Streuung, Fluoreszenz, Photoemission u.a.).

Die akustischen Methoden beruhen auf der Erzeugung elastischer Schwingungen und der Wechselwirkung der sich von der Quelle ausbreitenden elastischen (Festkörper) bzw. akustischen (Fluid) Wellen mit dem Untersuchungsobjekt. Im Zentrum des Interesses kann die Erzeugung akustischer/elastischer Wellen im Objekt unter Belastung (Schallemissionsanalyse, passiver Körper- und Ultraschall), die Veränderung des Resonanzspektrums von Objekten infolge von Geometrievariabilitäten und Materialinhomogenitäten wie z.B. Defekten (akustische Signaturanalyse) und die Beeinflussung der Ausbreitung akustischer /elastischer Wellen durch Materialeigenschaften einschließlich ihrer Inhomogenitäten (aktiver Ultraschall) stehen. Im IZFP und der EADQ ist Kompetenz in allen Bereichen aufgebaut. Für die Entwicklung innovativer Prüfverfahren spielt hier die Modellierung eine zentrale Rolle. Als geeignete Werkzeuge sind Finite Elemente und Randelementmethoden, Finite Differenzen- und Finite Integrationstechniken sowie semi-analytische Methoden wie die Punktquellensynthese zu nennen. In den letzten Jahren wurde eine entsprechende Kompetenz aufgebaut. Der Schwerpunkt dieser Aktivitäten liegt auf der Modellierung der linearen und nichtlinearen elastischen Wellenausbreitung mit der elastodynamischen Finiten Integrationstechnik (EFIT), der Generalisierten Punktquellensynthese (GPSS) und der Gaussian-Beam-Methode (GB).

Bei der Schallemissionsanalyse liegt der Kompetenzschwerpunkt auf der Erfassung der kompletten Signale und deren Inversion. Die Momententensoranalyse geht weit über das sonst in der Schallemissionsanalyse übliche Vorgehen hinaus. Eine Geräteentwicklung (AE-SYS) erschließt für dieses innovative Konzept ein breites Anwendungsfeld.

Die akustische Signalanalyse beruht auf der Tatsache, dass sich kleine Veränderungen in Bauteilen wie z.B. Risse durch charakteristische Verschiebungen im Frequenzspektrum der elastischen Eigenschwingungen bemerkbar machen. Der Vorteil dieser Methode besteht in dem integralen Charakter der entsprechenden Prüfungen, was das Verfahren schnell und damit auch für vergleichsweise billige Produkte einsetzbar macht. Der Nachteil besteht darin, dass auch tolerable Veränderungen, wie z.B. Massevariationen, zu Frequenzverschiebungen führen. Dies kann nur durch geeignete Auswerteverfahren gemeistert werden, z.B. in der Kombination von Fourier- und Wavelettransformationen (Gewinnung von Klassifikatoren) und deren Bewertung mittels Fuzzy-Methoden und Neuronalen Netzen. Deshalb werden diese Methoden in der EADQ vorgehalten.

Die Ultraschallprüfung in Impulsecho und Transmission ist ein Standardverfahren. Herausforderungen ergeben sich bei deren Anwendung auf stark streuende (Beton und geologische Formationen), anisotrope (z.B. Verbundwerkstoffe) und inhomogene Werkstoffe (z.B. austenitische Schweißnähte). Diese Werkstoffe erfordern die Klärung der Wellenausbreitungsphänomene sowie den Einsatz von innovativen Methoden der Datenerfassung, Signalverarbeitung und Fehlerrekonstruktion. Mit der Entwicklung von Laserabtastmethoden, Signalkodier- und Pulskompressionsmethoden und der SAFT Verarbeitung als Verfahren der Fehlerrekonstruktion (Inverses Verfahren) sind die entsprechenden Kompetenzen vorhanden und kommen zum Einsatz. Neue Anwendungsgebiete werden mit luftgekoppeltem Ultraschall erschlossen, entsprechende Wandler werden im IZFP entwickelt und für spezielle Anwendungen, etwa für Abstandsmessungen und Durchschallungstechniken, konzipiert und gefertigt. Jüngste Entwicklung ist die Erzeugung von Leistungsschall mit Biegeschwingern für Frequenzen unterhalb von 200 kHz.

Das vorhandene Methodenpotential bietet gute Voraussetzungen zur Entwicklung von kombinierten Verfahren.

Zur Entwicklung der Kernkompetenzen, insbesondere der Prüfphysik tragen die Diplom- und Doktorarbeiten, die am Fraunhofer IZFP in Saarbrücken und Dresden auf den Gebieten der Angewandten Physik, Werkstoffwissenschaften, Elektrotechnik und Elektronik und Informatik angefertigt werden, in erheblichem Umfang bei. Dies gilt insbesondere dann wenn neue Arbeitsgebiete erschlossen werden sollen. Enger Kontakt zur Universität mit Beteiligung an der Lehre in Form von Vorlesungen und Praktika, die den Studenten die Aufgabenstellungen in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nahe bringen und das Interesse daran wecken, soll für ausreichenden studentischen Nachwuchs sorgen.

Ergebnisse der letzten drei Jahre

Forschungsresultate

Die Forschungstätigkeit in der Kernkompetenz wird in enger Zusammenarbeit mit den anderen Abteilungen des IZFP durchgeführt. Sie beinhaltet Experimentelle und theoretische Untersuchung werkstoffphysikalischer Effekte im Hinblick auf ihre Anwendungsmöglichkeiten für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, Ableitung quantitativer Zusammenhänge zwischen physikalischen Messgrößen und Werkstoffeigenschaften oder -fehlern, Verfahrensentwicklungen für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung basierend auf der Erforschung physikalischer und werkstoffwissenschaftlicher Phänomene.

Laserultraschall

Auf dem Gebiet Laserultraschall – Erzeugung von Ultraschall mit gepulsten Lasern und Empfang der Signale mittels Laserinterferometrie – weist das IZFP langjährige Kompetenz auf. Sowohl die Anregung als auch der Nachweis der Ultraschallsignale wurden kontinuierlich durch Modellierung der Anregungseffizienz und Aufbau mehrerer Interferometervarianten verbessert. Das am IZFP entwickelte und patentierte Verfahren der Strahlrekonstruktion durch optische Phasenkonjugation in einem Interferometer hat die Qualität von Signalen bei der Messung an rauen Oberflächen entscheidend erhöht und den Anstoß zu weiteren Entwicklungen auf diesem Gebiet gegeben. Die Verwendung von Laserultraschall wurde für die Wanddickenmessung an Stahlrohren während des Herstellungsprozesses angepasst und im industriellen Betrieb installiert und optimiert. Die Weiterentwicklungen der Interferometer, die durch ausländische Forschungsinstitute und Industrieunternehmen durchgeführt wurden, werden in Zukunft aufgegriffen und für diese und weitere Anwendungen genutzt. Gefördert von der DFG im Rahmen eines Graduiertenkollegs sowie vom DAAD zum Austausch mit internationalen Arbeitsgruppen wurden wissenschaftliche Arbeiten zur Untersuchung der Ultraschallabsorption in technischen Werkstoffen durchgeführt.

Nichtlinearer Ultraschall

Nichtlineare Ultraschallspektroskopie und verwandte Methoden sind innovative zerstörungsfreie Prüfverfahren, die eine besondere Empfindlichkeit bei der Detektion und Abbildung beginnender Schädigung in Form von Mikrorissen, Delaminationen, Schwächung adhäsiver Verbindungen usw. erwarten lassen. Die Methoden sind in verschiedenen Stadien der Entwicklung, bisher aber noch nicht in der industriellen Anwendung. Die Forschungsarbeiten am IZFP hierzu konzentrieren sich bisher auf die Untersuchung von Klebungen und anderen Fügeschichten sowie die Beurteilung ihrer Haftqualität mit nichtlinearen Ultraschalleffekten. Fügeschichten in Werkstoffverbunden sind elastische Inhomogenitäten, die das Verhalten bei mechanischen Belastungen bis hin zum Versagen eines Bauteils wesentlich mitbestimmen. Zur Untersuchung der Wechselwirkungskräfte in Fügeschichten wird genutzt, dass Bindekräfte im allgemeinen nichtlinear sind und transmittierte und reflektierte Schallwellen nichtlinear modulieren, so dass höhere und/oder sub-Harmonische einer eingeschallten monochromatischen Welle erzeugt werden. Amplitude und Phase der erzeugten Wellen geben Auskunft über die Kräfte in der Fügeschicht. Von der Untersuchung der Ultraschalltransmission durch dünne Fügeschichten versprechen wir uns aber nicht nur die Entwicklung eines Verfahrens zur Beurteilung der Haftqualität von Fügeschichten, sondern auch Erkenntnisse über die nichtlinearen Wechselwirkungen in geschädigten Materialien, die z.B. Mikrorisse oder flache Poren enthalten, da dies Fügeschichten sehr ähnliche nichtlineare Kontakte innerhalb eines Werkstücks sind. Die Erkenntnisse können dann zu Verfahren führen, die die Bewertung der Schädigung mit Hilfe der nichtlinearen Ultraschallausbreitung erlauben. Das Potential dieser Verfahren für zfP Zwecke ist zu klären.

Strahlmethoden

Die Ergebnisse beinhalten die Ausarbeitung neuer oder verbesserter Prüfprinzipien, die Modellierung der physikalischen Grundlagen, die Spezifikation der experimentellen Bedingungen und der Instrumentierung, die Entwicklung entsprechender Simulations- und Rekonstruktionsalgorithmen sowie die Demonstration der Applikation zur zfP neuer Materialien, Bauelemente und Bauteile. Die untersuchten Materialien und Systeme waren Halbleitergrundmaterial, dünne Schichten, Nanostrukturen, mineralische Baustoffe, Polymere, Keramik, Nichteisenwerkstoffe, Holzwerkstoffe, Bauelemente der Mikro- und Optoelektronik und der Mikrosystemtechnik.

Die Methoden stützen sich auf die instrumentelle Laborausstattung in Dresden, auf den Zugang zu Labors an der TU Dresden und der TU Freiberg und auf Verbindungen zu internationalen Großforschungszentren (ESRF Grenoble, JINR Dubna, ILL Grenoble, LURE Paris Sud, HASYLAB Hamburg, BESSY, HMI Berlin). An der ESRF Grenoble ist die Arbeitsgruppe Röntgenapplikation des Franuhofer IZFP vor Ort permanent installiert und betreibt die Vorbereitung, den Aufbau und die Nutzung von Industriemessplätzen.

Akustische Methoden

Durch kontinuierliche Arbeit über viele Jahre konnten die passiven und aktiven Ultraschallmethoden erfolgreich in den Bereichen Geologie und Umwelt etabliert werden. Jüngste Ergebnisse betreffen die akustischen Verfahren zur Charakterisierung von Auflockerungszonen in geologischen Formationen.

Auf den Gebieten des aktiven Ultraschalls sind die Arbeiten zur Ultraschallausbreitung in austenitischen Schweißnähten mit Schlussfolgerungen für die Prüftechnik und die Untersuchungen zur Verbesserung der Betonprüfung zu nennen. Die methodischen Arbeiten zur Betonprüfung führten zu einem neuen innovativen Messkonzept. Unter Verwendung dieses Messkonzepts konnte bei einem Vergleichstest mit unbekanntem Aufbau eines Testkörpers Fehler nachgewiesen und genau lokalisiert werden, die von keinem anderen Verfahren gefunden wurden. Es gilt nun, dieses Messkonzept so auszubauen, dass eine darauf fußende Geräteentwicklung zu akzeptablen Verfahrenskosten führen kann.

Auf dem übergreifenden Gebiet der Modellierung der elastischen Wellenausbreitung wurden bestehende Algorithmen (EFIT) auf stark heterogene Materialien angewendet. Dadurch konnten für die Prüfphysik überraschende und wesentliche Ergebnisse gewonnen werden (z.B. Einfluss der Poren auf die Ultraschallschwächung). Darüber hinaus wurde das Einsatzgebiet der EFIT Modellierung auf reale dreidimensionale zylindersymmetrische Fälle erweitert, wodurch eine Reihe bisher nicht erfasster Probleme nunmehr der Simulation zugänglich sind. Zur Modellierung der Ultraschallausbreitung in isotropen sowie in homogenen und inhomogenen anisotropen Materialien wie Faserverbundwerkstoffen und austenitischen Schweißnähten wurden semi-analytische 3D-Modellierungsverfahren (GPSS und GB) entwickelt, die eine selektive Modellierung von Wellenausbreitungsphämonenen inklusive der Ultraschallschwächung erlauben. Ihr Einsatz reicht von der Optimierung der Prüfparameter über die Berechnung von Fehlersignalen bis hin zur korrekten Erfassung des Rekonstruktionsgebietes bei der Synthetischen-Apertur-Fokus-Technik SAFT. Eine auf der Basis von GPSS entwickelte Software wird zur Designoptimierung von Ultraschall-Sonderprüfköpfen eingesetzt, Schallfeldsimulation und Designoptimierung werden außerdem als innovative Dienstleistungen angeboten.

Zur Verbesserung der Energiebilanz bei der luftgekoppelten Ultraschallprüfung wurde eine Luftdruckschuhtechnik vom IZFP konzipiert und zum Patent angemeldet (P 198 61 017 Ultraschall-Leistungswandler). Durch gezielte Modellierung der gesamten Druckluftdynamik sowie der aus der Druckluftdynamik resultierenden Auswirkungen auf die Schallfeldeigenschaften innerhalb des Druckluftschuhs und innerhalb des Bauteils gilt es, die Leistungsfähigkeit dieses Prüfverfahrens weiter zu steigern. Mögliche Anwendungen des Verfahrens liegen in den Industriebereichen Hoch- und Tiefbau, Stahlerzeugung und –weiterverarbeitung, Chemie, Luft- und Raumfahrt, Keramik, und Maschinenbau.

Studien-, Diplom- und Doktorarbeiten

Ein erheblicher Teil dieser Forschungstätigkeit wird durch die wissenschaftliche Arbeit von Diplomanden und Doktoranden geleistet. In den vergangenen drei Jahren wurden am IZFP und der EADQ ca. 50 Studien- und Diplomarbeiten und 10 Doktorarbeiten angefertigt und gegenüber den Universitäten und HTW’s Saarbrücken, Besancon, Metz, Grenoble, Valencienne, und Dresden vertreten. Die Themen dieser Arbeiten waren aus den Gebieten Werkstoffcharakterisierung, Fehlerprüfung, Hochfrequenzultraschall, Mikromagnetik, Wirbelstromprüfung, Photoakustik, Thermografie, Röntgenprüfung, Computertomografie und Geräteentwicklung. Die Studenten kamen aus den Fachbereichen Werkstoffwissenschaften (28 Absolventen), Elektrotechnik/Mechatronik (19) und Physik (2). Ein erheblicher Teil dieser Arbeiten beinhalteten Themen direkt zur Prüfphysik.