Ultraschall

John Deere Feldhäcksler der Baureihe 8000 Schweißnahtprüfung der Messerhalter mit »LinScanDuo 2.0«

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Ultraschall

Die Ultraschallprüfung mit ihren vielfältigen Techniken ist seit langem ein zentrales Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung und damit wesentlicher Bestandteil vieler Qualitätssicherungsmaßnahmen. In praktisch allen Sektionen des Produktlebenszyklus, insbesondere aber im Bereich von Produktionsprozessen, stellt sie etablierte Methoden zur Verfügung, mit deren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten die Sicherheit der hergestellten Produkte gewährleistet werden kann.

Durch den Einsatz neuartiger Werkstoffe wie faserverstärkte Kunststoffe, hochfeste Stähle und Leichtmetalle, die allein oder in Kombination in Hybridbauteilen und als Verbundwerkstoffe Anwendung finden, haben sich die Anforderungen an die Ultraschallprüfung im letzten Jahrzehnt deutlich erhöht. Zu diesen werkstoffseitigen Gegebenheiten treten Herausforderungen auf Grund immer komplexerer Bauteilgeometrien, der Notwendigkeit zur hochauflösenden Fehlerprüfung oder der Realisierung schnellerer Prüfgeschwindigkeiten hinzu. All dem kann mit den am Fraunhofer IZFP eingesetzten Techniken Rechnung getragen werden. Die Bereiche Materialcharakterisierung, Bauteil-/Komponentenprüfung und Zustandsüberwachung stehen dabei im Fokus unserer Aufmerksamkeit.

Das Institut verfügt über ein breites Spektrum einsatzfähiger Techniken, Kompetenzen und Know-how bezüglich des Aufbaus von u. a. speziell angepassten Ultraschall-Wandlern, von Prüfsystemen inkl. der Hard- und Softwareentwicklung sowie der Durchführung von qualifizierenden manuellen und robotergestützten Ultraschallprüfungen, um den kundenspezifischen Ansprüchen zu entsprechen.

Darüber hinaus berät bzw. unterstützt das Fraunhofer IZFP Kunden bei der Erstellung von individuellen Prüfanweisungen, der Durchführung und der Auswertung von Prüfungen.

Ultraschallsensoren nach Maß

Luftultraschallarray-Sensor
© Fraunhofer IZFP
Luftultraschallarray-Sensor

Das Fraunhofer IZFP in Saarbrücken entwickelt und fertigt Ultraschallsensoren für vielseitige Einsatzbereiche. Unter anderem entwickelte das Institut Ultraschallsensoren für die Rosetta-Mission, die am 2. März 2004 startete und im November 2014 auf der Kometenoberfläche landete.

Typischerweise entwickeln wir jedoch Ultraschallsensoren für die Material- und ­Bauteilprüfung sowie für das Condition Monitoring innerhalb des gesamten Produktlebenszyklus, angefangen vom Rohstoff bis hin zum Recycling. 

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AcoustiX: Akustisches Sensorsystem zur Montageendkontrolle oder Betriebsüberwachung mittels kognitiver Signalanalyse

AcoustiX – Akustisches Sensorsystem am Beispiel eines Schneidwerkes für Mähdrescher
© Fraunhofer IZFP / Uwe Bellhäuser
AcoustiX – Akustisches Sensorsystem am Beispiel eines Schneidwerkes für Mähdrescher

Maschinen oder Anlagen erzeugen im Betrieb charakteristische Schwingungen und damit Geräusche. Diese geben Auskunft über die Qualität, da Montagefehler oder sonstige Defekte oftmals eine Veränderung der Betriebsgeräusche verursachen.

Auf dem Markt verfügbare akustische Prüfsysteme hingegen ermöglichen die objektive Erkennung auffällig schwingender oder klingender Erzeugnisse, benötigen allerdings oftmals eine aufwendige explizite Kalibrierung an repräsentativen Bauteilen. Darüber hinaus wird das Geräusch- oder Schwingungsverhalten in der Regel auf wenige akustische Kenngrößen wie Frequenzen oder Amplituden reduziert. Bereits geringe konstruktive Anpassungen erfordern eine erneute Kalibrierung, da ansonsten die Verlässlichkeit der Prüfung negativ beeinflusst werden kann.

Zur Lösung dieser Problematik hat das Fraunhofer IZFP »AcoustiX« entwickelt – ein akustisches Sensorsystem mit kognitiver Signalauswertung.

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3D-SmartInspect: Intelligente Prüfüberwachung und -dokumentation durch optisches Trackingsystem für Ultraschall- und Wirbelstromprüfung

Mit 3D-SmartInspect in die digitale ZfP-Welt: Augmented Reality-System zur manuellen Prüfung von Bauteilen oder großen Oberflächen
© Fraunhofer IZFP / Uwe Bellhäuser
Mit 3D-SmartInspect in die digitale ZfP-Welt: Augmented Reality-System zur manuellen Prüfung von Bauteilen oder großen Oberflächen

Bei der im großen Umfang verwendeten Handprüfung hängt die Qualität der Prüfung stark vom Personal und den Umgebungsbedingungen ab; dieser Umstand betrifft die Prüfung kleiner Komponenten in der Produktion genauso wie die Instandhaltungsprüfungen großer industrieller Strukturen. Die korrekte Interpretation der Messwerte und die vollständige Erfassung des Prüfbereichs verlangen ein großes Maß an persönlicher Expertise. Zudem ergeben sich hinsichtlich Dokumentation für die ­Unternehmen erhebliche Herausforderungen. In vielen Fällen werden Prüfprotokolle handschriftlich erstellt und erkannte Auffälligkeiten auf den Bauteilen selbst markiert. Ein digitaler Zusammenhang zwischen dem Prüfobjekt und der Dokumentation wird dabei nicht hergestellt. Wenn Prüfungen ­mehrere Stunden oder Tage in Anspruch nehmen, können Fehler und eine lückenhafte Dokumen­tation kaum ausgeschlossen werden, mit allen negativen Konsequenzen für Folgeprozesse.

Zur Lösung dieser Thematik hat das Fraunhofer IZFP das optische Tracking-System »3D-SmartInspect« entwickelt, ein Assistenzsystem für Handprüfungen auf Grundlage kognitiver Signalauswertung.

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Sensorsystem zum Nachweis von Rissen und Einschnürungen in Umformblechen

Prüfung von Tailored Blanks mit EMUS-Sensor des Fraunhofer IZFP
© Fraunhofer IZFP
Prüfung von Tailored Blanks mit EMUS-Sensor des Fraunhofer IZFP

In Unternehmen aus dem Bereich Blechumformung, insbesondere in der Automobilindustrie als größtem Hersteller und Abnehmer von umgeformten Blechteilen, werden zunehmend höhere Ansprüche an Bauteile und Prozesse gestellt. Aufgrund von Leichtbaukonzepten werden viele Umformprozesse zunehmend an ihre Grenzen geführt. Wegen steigender Verarbeitungskomplexität, hohen Umformgraden bei immer kleineren Blechdicken, Chargenschwankungen der Werkstoffe sowie Unsicherheiten im System Werkzeug/Maschine ist es unvermeidbar, dass diese Prozessgrenzen auch sporadisch überschritten werden.

Als Folge derartiger Einflussfaktoren sind umformbedingte, schwer identifizierbare Bauteilfehler nicht auszuschließen. Dazu gehören aufgerissene Bereiche (Risse) im Blech, aber auch lokale Ausdünnungen (Einschnürungen) der Blechdicke. Während klaffende Risse ab einer bestimmten Größe mit optischen Verfahren zuverlässig erkannt werden, fehlte bisher ein Verfahren, mit dem geschlossene bzw. kleine Risse und insbesondere Einschnürungen prozesssicher nachgewiesen werden können.

In einer vergleichenden Studie wurde gezeigt, dass sich die sogenannte EMUS-Prüftechnik (elektromagnetisch erzeugter Ultraschall) am besten für den fertigungsintegrierten Nachweis von Rissen und Einschnürungen in Blechbauteilen eignet. Ultraschallprüfköpfe auf Basis von EMUS können trocken,  d. h. koppelmittelfrei und im Allgemeinen auch berührungslos eingesetzt werden.

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WeldInspector: Ultraschallprüfung an Schweißnähten von Getriebe-Abtriebswellen

© Fraunhofer IZFP / Uwe Bellhäuser
WeldInspector

Die am Fraunhofer IZFP entwickelte Ultraschallmessanlage »WeldInspector« bietet einzigartige Optionen zur Unterstützung und Optimierung der Produktionsabläufe von Getriebe-Abtriebswellen. Die für das Werk Saarbrücken der ZF Friedrichshafen AG entwickelte Anlage vermisst die gesamte Schweißnahtgeometrie der Abtriebswellen innerhalb weniger Minuten mittels Hochfrequenz-Ultraschall zu 100 Prozent. Hierdurch entfällt die in verschiedenen Stadien des Produktionsprozesses bislang notwendige zerstörende metallographische Untersuchung von Bauteilen. Neben der Materialersparnis schlagen auch erhebliche zeitliche Einsparungen zu Buche.

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Luftultraschall: Berührungsloses Prüfen von hybriden Werkstoffen

© Fraunhofer IZFP / Uwe Bellhäuser
Robotergestützte Luftultraschallprüfung an CFK-Material

Das Fraunhofer IZFP ist ein deutschlandweit führendes Applikations- und Entwicklungszentrum für Luftultraschallprüftechnik, ein ZfP-Verfahren, welches einen berührungslosen »Blick« ins Werkstoffinnere ohne Werkstoffkontamination erlaubt und gleichzeitig ein sehr gutes Fehlerauflösungsvermögen bietet. Unsere Industriekunden profitieren somit von einer sehr guten Automatisierbarkeit dieser Prüftechnik sowie einer kostengünstigen Prüfdurchführung, da die Prüflinge nicht gereinigt bzw. getrocknet werden müssen.

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Hochfrequenz-Ultraschall­prüfung: Optimierung der Qualität der Laserschweißnaht am Beispiel pressgehärteter Stähle

© Fraunhofer IZFP
3D-Profil einer Laserschweißnaht

Integration der HF-Ultraschallprüfung zur schnellen, effizienten Überwachung, Dokumentation und Optimierung der Laserschweißnahtqualität

Validierung des Verfahrens zur Bestimmung aller relevanten Qualitätsmerkmale (Schweißnahtverlauf, Fehlstellenexistenz etc.)

Detektion typischer Fehlerarten beim Laserstrahlschweißen, z. B. »falsche Freunde«, »starker Nahteinfall«, »Durchschüsse« sowie Poren mit minimalem Durchmesser von ca. 0,2 mm

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EMUS: Fehlerprüfung mit elektromagnetischem Ultraschall

© tomas - Fotolia
Pipeline

Berührungslose, koppelmittelfreie Ultraschallprüfung

Echtzeitfähig und automatisierbar (in die Produktion integrierbar)

Industriell erprobt – lange Standzeiten ohne erkennbaren Verschleiß

Kalt- und Warmblechumformung, z. B. Karosseriebauteile


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EMUS-VG: Ansteuerung von EMUS-Wandlern mit konventionellen Ultraschallgeräten

Laserschweißnähte: Prozessintegrierte, trockene Ultraschallprüfung der Laserschweißnähte von Tailored Blanks

 

MAGNUS: Hybrides Mikromagnetik- und Ultraschall-Prüfsystem

© Fraunhofer IZFP / Uwe Bellhäuser
MAGNUS mit Halter

Methodenentwicklung zur smarten Kombination von mikromagnetischer Werkstoffcharakterisierung und elektromagnetischer Ultraschallwandlung

Demonstratoraufbau und industrielle, praxisnahe Erprobung

Bei »MAGNUS« handelt es sich um ein im Rahmen des Fraunhofer-Carnot-Programms, die »L'Agence Nationale de la Recherche« ANR und das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördertes Projekt, das in Zusammenarbeit mit dem »Centre Technique des Industries Mécaniques« CETIM in Senlis, Frankreich, durchgeführt wird.

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Hard- und Softwarekomponenten für das Ultraschallprüfsystem RAWIS: Produktionsintegrierte Prüfung von Eisenbahnrädern

© Rosen Group
RAWIS Prüfsystem

Hohe Prüfempfindlichkeit bei gleichzeitig hoher Prüfgeschwindigkeit: Einsatz von Phased-Array-Technik und hardware-naher Datenverarbeitung

Vollautomatisierte Hundertprozent-Prüfung von Radkranz, Radnabe während einer Raddrehung

Einsatz smarter Auswertealgorithmen: Automatische Bewertung der Prüfergebnisse

Modulares Systemdesign: Einsatz im Bereich der Instandhaltungsprüfung mit nur geringem Modifikationsaufwand

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Zerstörungsfreie Prüfung an induktiv gehärteten Bauteilen

© Fraunhofer IZFP
Kurbelwellenprüfung mit SHD-Sensor

Langjährige Erfahrung mit kundenspezifischer Hard- und Software

Optimierte Ultraschallelektronik (Eigenentwicklungen)

Automatisierte Systeme und Handprüfgeräte verfügbar

Keine Kalibrierung an Testkörpern notwendig

Objektive, nutzerunabhängige Messmethode

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UER III: System zur Ultraschall-Eigenspannungsmessung an Radkränzen

© Fraunhofer IZFP / Uwe Bellhäuser
UER III: Ultraschall-Eigenspannungsmessung an Radkränzen

Einsatzgebiete: Schwere/leichte Instandhaltung, Radherstellung (nach DIN EN13262), Radentwicklung

Mehr als 20 Jahre Erfahrung im Industrieeinsatz

Entwicklung und Design der tragbaren Version 2018

Frontendlösung zur Minimierung elektromagnetischer Störungen

Umfassender Service und flexible technische Unterstützung

Auswahl langfristig verfügbarer Hardwarekomponenten

Kompatibilität mit moderner IT-Infrastruktur des Kunden

Identische betriebssystemübergreifende Prüfsoftware für alle Gerätevarianten

Einfach zu erlernende und bewährt komfortable Bedienung

 

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