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Einführung Basissystem für Laser-Ultraschall Fortgeschrittenes Prüfsystem mit Laser-Ultraschall Industrielles Prüfsystem mit Laser-Ultraschall Fazit Literatur

EINFÜHRUNG

Während den letzten Jahren wurde mehrfach bewiesen, daß Laser-Ultraschall erfolgreich für die Durchführung zerstörungsfreier Untersuchungen verschiedener Bauteile aus der Industrie angewendet werden kann. Insbesondere wurden Versuche an Metallbauteile durchgeführt, wie beispielsweise die Echtzeit-Wandstärkenbestimmung bei glühenden, nahtlosen Metallröhren, sowie auch zahlreiche Untersuchungen an komplexen Strukturen aus Verbundmaterial, wie z.B. Cockpitelemente aus Kohlefaser oder Flugzeug-Radome (= vordere, aerodynamische Radarschirm-Abdeckung), welche aus Sandwich-Elementen mit einem Honigwabenkern bestehen, /1/ und /2/. Darüber hinaus wurde die Mobilität und die Funktionsweise eines Laser-Ultraschall-Prüfsystems bei der Inspektion von Bereichen eines einsatzbereiten Militärflugzeugs demonstriert, /3/.

Diese Tests bestätigten die Hauptmerkmale dieser Technik, welche gleichzeitig die wichtigsten Vorteile gegenüber der konventionellen Ultraschallprüfung darstellen:

a)	es besteht kein physikalischer Kontakt mit dem Objekt, d.h. für eine Prüfung bedarf es gar keines Koppelmediums. Das Verfahren funktioniert auch im Vakuum und an sehr heißen Oberflächen;
b)	die Entfernung zum Objekt kann bis zu 2 Meter, im Extremfall bis zu 4 Meter betragen;
c)	eine große Fläche kann bei Verwendung eines aus einem Spiegelsystem bestehenden Scanners mit relativ hoher Geschwindigkeit abgetastet werden;
d)	die gewohnt hohen Anforderungen bezüglich des Einstrahlwinkels der extern generierten Ultraschallwellen gegenüber der Bauteiloberfläche werden in dramatischer Weise reduziert, da bei Laser-Ultraschall die Ausbreitung der an der Oberfläche generierten Wellen immer senkrecht zur Normalen in das Bauteilinnere geschieht;
e)	optional kann während einer Ultraschallprüfung gleichzeitig die äußere Form des Bauteils erfaßt werden. Diese Informationen über die Kontur einer möglicherweise komplexen Struktur können mit dem Ergebnis einer Prüfung überlagert werden, was eine bessere visuelle Interpretation und Bestimmung innerer Fehler ermöglicht, siehe Bild 1 und Bild 2;
f)	diese Technik ermöglicht schließlich die gleichzeitige Untersuchung von verschiedenen Materialkombinationen innerhalb eines Objekts, z.B. Metallteile in der Nähe oder innerhalb von kohlefaserverstärkten Kunststoffen, /4/.

Bild 1: Darstellung des Ergebnisses einer Prüfung mit Laser-Ultraschall an einem gewinkeltem Bauteil aus kohlefaserverstärktem Material. Die innenliegenden, künstlichen Fehler sind deutlich zu erkennen, ihre Lage in Bezug zur Bauteilgeometrie jedoch nicht.

Bild 2: Das gleiche Prüfergebnis wie in Bild 1. Hier wurde jedoch die während der Prüfung simultan gemessene Information über die Kontur des Bauteils dem Prüfergebnis überlagert. Die Lage der Fehler in Bezug zur Form des Bauteils läßt eine deutlich bessere Analyse zu.

Wegen den oben genannten Eigenschaften ermöglicht Laser-Ultraschall eine schnelle und effiziente Untersuchung von komplexen Bauteilen, insbesondere dann, wenn diese beispielsweise noch in der Produktion und heiß beziehungsweise noch an einem Flugzeug befestigt sind.

Wenn Versuche oder Abnahmemessungen nur an kleineren Teilen vollzogen werden müssen, so kann in der Praxis der Aufbau eines Laser-Ultraschall-Meßsystems ziemlich aufwendig oder teuer sein. Auf der anderen Seite kann selbst mit einem Serienprüfsystem die automatische Inspektion von Bauteilen, welche größer als der gewöhnlich abzutastende Bereich sind, nicht in einem Schritt durchzogen werden. Es ist daher offensichtlich, daß für solche Anwendungen eine individuelle Anlage entwickelt werden muß.

Die Herausforderungen, welche mit der Übertragung der Laser-Ultraschall-Technologie aus dem Labor heraus in das industrielle Umfeld verbunden sind, haben, alleine schon wegen den verschiedenen praktischen Anforderungen, zu mehreren Systemkonfigurationen geführt. Diese werden hier im Folgenden kurz vorgestellt. Der Stand der Technik stellt aber zur Zeit ein automatisches Prüfsystem für große Flugzeugteile dar, welches 1996 in Betrieb genommen wurde. Damit wurde definitiv gezeigt, daß Laser-Ultraschall ein Verfahren ist, welches - trotz fehlender Prüfnormen - bereits als hochwertiges Meßinstrument akzeptiert wurde. Letztendlich bietet es die Möglichkeit, die Erwartungen an die Prüfung modernster Materialien und Bauteilen zu erfüllen.

BASISSYSTEM FÜR LASER-ULTRASCHALL

Laser-Ultraschall basiert auf der Erzeugung und der Messung von Ultraschallwellen mit Hilfe eines oder mehrerer Laser. Ein Erzeugerstrahl, welcher auf dem zu untersuchenden Objekt fokussiert ist, liefert eine pulsartig modulierte Energie, die durch thermoelastische Effekte auf der Oberfläche in Ultraschallwellen umgewandelt wird. Diese Wellen dringen sofort und überwiegend senkrecht zur Oberfläche in das Objekt ein, um spätestens von dessen Rückseite zurück zur Einstrahlseite reflektiert zu werden. Auf dieser Wegstrecke durch das Objekt werden nun sämtliche Informationen über Laufzeit und Signalabschwächung registriert. Denn ein zweiter, kontinuierlicher Laserstrahl, der auf der Oberfläche auf den gleichen Punkt der Erzeugung gerichtet und von der Objektoberfläche diffus zurückgeworfen wird, wird mit dem Echosignal des eingedrungenen Ultraschallsignals moduliert. Das zu messende Signal entsteht nun in Form einer Ultraschallschwingung der Oberfläche selbst. Diese Schwingung wird von einem hochempfindlichen, optischen Fabry-Perot-Interferometer registriert, welches die Variationen im Phasenverlauf der Lichtwellen in Amplitudensignale umwandelt, um hieraus die eigentliche Ultraschallinformationen zu gewinnen.

Bild 3: Prinzipieller Aufbau eines Systems zur Prüfung eines Bauteils mittels Laser-Ultraschall (englisch: LUIS = Laser Ultrasonic Inspection System)

In der Praxis beinhalten alle Systeme sowohl einen Laser für die Erzeugung wie auch einen Laser für die Messung von Ultraschallsignalen. Diese zwei Einheiten können beispielsweise durch Glasfaser miteinander verbunden und somit getrennt voneinander untergebracht werden, siehe Bild 3. Das sogenannte Basissystem für eine Untersuchung mit Laser-Ultraschall zeichnet sich u.a. dadurch aus, daß es einen festen Laserstrahl hat, d.h. keine Abtastvorrichtung besitzt. Soll nun eine Oberfläche geprüft werden, so muß jedes zu untersuchende Objekt auf einen mechanischen Verschiebetisch befestigt werden. Normalerweise erreichen solche Systeme einen maximalen Abtastbereich von ca. 15 cm x 15 cm. Von einem PC überwacht, erlaubt die gesamte Systemgeschwindigkeit keine Echtzeit-Berechnung aller benötigten Ergebnisse. Ferner verringert die eingeschränkte Laserleistung ebenfalls die Einfalls-, Reflektions- und Sammelwinkel, welche nahezu senkrecht zur Oberfläche stehen sollten. Auch die Meßtiefe ist auf maximal 16 mm beschränkt. Mit diesen Merkmalen ausgestattet eignet sich ein solches Basissystem insbesondere für grundlegende Untersuchungen mit Laser-Ultraschall, hauptsächlich an flachen und kleineren Materialproben.

FORTGESCHRITTENES PRÜFSYSTEM MIT LASER-ULTRASCHALL

Für die industrielle Nutzung dieser Technik wird viel mehr Flexibilität benötigt. Dieses Ziel kann erreicht werden, indem ein fortgeschrittenes System verwendet wird, welches folgende Eigenschaften beinhaltet:

a)	ein energiereicher Erzeugungsstrahl, um stärkere Ultraschallwellen zu generieren, welche tiefer in das Material eindringen können;
b)	im allgemeinen stärkere Laser, um die Anforderungen hinsichtlich des Auftreff-, des Reflektions- und des Sammelwinkels zu reduzieren;
c)	ein Abtastsystem mit beweglichen Spiegeln, um zu vermeiden, daß die zu prüfenden Teile während des Abtastvorgangs bewegt werden müssen. Gleichzeitig ermöglicht dies, Bauteile oder Strukturen zu untersuchen, welche auf den Boden liegen, in selber Höhe oder sogar höher als das System angebracht sind, wie beispielsweise an Flugzeugen;
d)	ein leistungsfähiges Rechnersystem, welches die Multitasking-Fähigkeit mit mehreren Prozessoren unterstützt, zwecks verzögerungsfreier Anzeige der A-, B- und C-Scan-Ergebnisse und der Darstellung der Informationen über Kontur und Oberfläche des Bauteils während der Nachbearbeitung (falls diese Option installiert worden ist).

Bild 4: Fortgeschrittenes Prüfsystem mit Laser-Ultraschall: LUIS 72L Ein flexibel verstellbarer Scanner lenkt die für die Erzeugung der Ultraschallwellen notwendige Laserstrahlung auf das komplex geformte Bauteil. Ein solches System kann von nur einer Person vollständig bedient werden.

Ein solches Prüfsystem ist in Bild 4 dargestellt und kann von nur einer Person vollständig bedient werden. Typischerweise beträgt die Bandbreite 2 MHz bis 16 MHz, dies bei einer Abtastoberfläche von nahezu 2 m auf 2 m. Die Positionierauflösung des Scanners entspricht ungefähr 0,25 mm, bei einer Entfernung zum Bauteil von 1,5 m.

INDUSTRIELLES PRÜFSYSTEM MIT LASER-ULTRASCHALL

Um diese Technik in der Produktion anwenden zu können sind insbesondere eine schnelle Prüfgeschwindigkeit und eine einfache Bedienung erforderlich. Der aktuelle Stand der Technik eines auf Laser-Ultraschall basierenden Prüfsystems ist in einer Produktionsumgebung auf der McClellan USAF Base in Sacramento, Kalifornien, USA installiert. Diese Anlage, welche seit 1996 in Betrieb ist und den Namen LUIS 747 trägt, ist das Ergebnis von jahrelanger Bemühung und Entwicklung, Laser-Ultraschall in der Inspektion von polymeren Verbundmaterialien einsetzen zu können. Ziel ist hierbei, eine große Reihe von verschiedenen Fehlern nachzuweisen, welche bei der Herstellung von Composite- und Sandwichbauteilen, welche zum Teil mit Honigwabenstrukturen verklebt sind, entstehen können. Trotz der Komplexität der Technologie sind vor der Inspektion weder besondere Kenntnisse über die Form der Bauteile, noch besondere Kenntnisse hinsichtlich der Laser oder des Laser-Ultraschalls notwendig, um das ganze System in dieser Produktionslinie bedienen zu können. Bild Nr. 5 zeigt das Konzept dieser Prüfanlage.

Bild 5: Konzept eines industriellen Prüfsystems mit Laser-Ultraschall: LUIS 747. Eine solche Anlage sieht von, große Bauteile oder Strukturen in einem Durchgang zu prüfen.

Die Flexibilität eines solchen Systems erlaubt sowohl die Inspektion kleiner Bauteile mit scharfer Eckgeometrie wie auch die großer Bauteile mit kleinen Wölbungen. Aber ein weiteres einzigartiges Merkmal ist die Formerfassung der zu überprüfenden Teile: während der Oberflächenerfassung des untersuchten Bauteils wird jeder Punkt von den Winkelkoordinaten des Scanners (f und r), von der Entfernung zwischen dem Zielpunkt und der Mitte des Scannerspiegels (per Entfernungsmeßsystem) und den Koordinaten der automatischen Rampe (x, y , z und q) bestimmt. Mit diesen Informationen wird die Position jedes gemessenen Objektpunkts in Bezug zu einem Referenzpunkts des Bauteils berechnet, um die daraus resultierenden, räumlichen 3D-Ultraschallbilder zu berechnen und darzustellen. Die mitgelieferte Software beinhaltet Positionierungswerkzeuge, welche es ermöglichen, Fehlerbereiche räumlich zu lokalisieren und zu identifizieren.

Bild 6: Industrielles Prüfsystem: Diese Anlage vereint alle Komponenten einer automatisierten Prüfanlage mit Laser-Ultraschall, u.A. eine vollkommen ferngesteuerte Generatoreinheit (rechts, hochgefahren) sowie die Benutzung von linear geführten Wagen, welche mit den Prüfteilen bestückt sind. Das gesamte Prüfvolumen beträgt 12,5 m x 3,5 m x 1,2 m.

Die Inspektion kleiner Bauteile wurde unter Verwendung eines optischen Abtastsystems besonders optimiert. Dieser Scanner hat eine Auflösung von 0,25 mm, bei einem Prüfabstand von 1,5 m und eines Prüfpunktdurchmessers von 2,5 mm. Wegen den linear geführten und mit Prüfteilen bestückten Wagen können sehr große Bauteile automatisch geprüft werden, wie beispielsweise Flügel, aber auch eine hohe Stückzahl kleinerer Bauteile. Durch die Fernsteuerung der Erzeugungseinheit wird ein gesamtes Prüfvolumen von 12,5 m x 3,5 m x 1,2 m erreicht.

FAZIT

Moderne Materialien wie laminare oder gewebte Composite-Bauteile erleben eine schnelle Entwicklung und Steigerung ihrer Leistungsfähigkeit. Damit ist aber gleichzeitig eine steigende Schwierigkeit bezüglich ihrer Qualitätsprüfung verbunden. Laser-Ultraschall steht für eine besonders praktische Möglichkeit, schnell und effizient eine Inspektion von komplexen Bauteilen durchzuführen. Verschiedene Systemkonfigurationen dieser flexiblen und berührungslosen Untersuchungsmethode erlauben es, für bestimmte Anwendungen entsprechend optimierte Ergebnisse zu erhalten. Trotz der inneren Komplexität der Technik sind die Vorteile von Laser-Ultraschall nun für Anwendungen in der Produktion zugänglich, wie der vorgestellte Stand der Technik, eine automatisierte Anlage zur Untersuchung von äußerst komplexen Verbundmaterialien in der militären Luftfahrt, zeigt.

LITERATUR

1. INDUSTRIAL APPLICATIONS OF LASER ULTRASONICS,
   M. Choquet, J.-D. Aussel, R. Héon, P. Bouchard, C. Padioleau,
   Tagungsband der 6. ECNDT Konferenz, S. 519 - S. 523, Nice 1994
2. ULTRASONS LASER: UN SYSTÈME CND SANS CONTACT,
   O. Petillon, J.-P. Dupuis, D. David, H. Voillaume,
   Tagungsband der 6. ECNDT Konferenz, S. 525 - S. 529, Nice 1994
3. LASER-ULTRASONIC INSPECTION OF THE COMPOSITE STRUCTURE OF AN AIRCRAFT IN A MAINTENANCE HANGAR,
   M. Choquet, J.-D. Aussel, R. Héon, C. Padioleau, P. Bouchard,
   Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Vol. 14, S. 545 - S. 552, Plenum Press, 1995
4. INSPECTION OF COMPOSITE MATERIALS BY LASER-ULTRASONICS,
   J.P. Monchalin, C. Néron, G. Vaudreuil, A. Blouin, D. Drolet, P. Bouchard, M. Choquet, R. Heon, C. Padioleau, L. Bertrand, M. Dubois and F. Enguehard,
   Tagungsband der International Conference on Composite Materials and Energy - ENERCOMP 95, 1995, Nondestructive Evaluation II, S. 739 - S. 746.
5. LASER-ULTRASONIC INSPECTION OF HONEYCOMB AIRCRAFT STRUCTURES,
   F.H. Chang, T.E. Drake, M.A. Osterkamp, R.S. Prowant, J.P. Monchalin, R. Heon, P. Bouchard, C. Padioleau, D.A.Froom, W. Frazier, J.P. Barton,
   Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Vol. 12, S. 611 - S. 616, Plenum Press, 1993
6. INDUSTRIAL INSPECTION OF COMPOSITE AND METALLIC AEROSPACE STRUCTURES USING LASER-ULTRASONICS, M. Honlet,
   Tagungsband des COFREND Kongresses über zerstörungsfreie Prüfung, S. 397 - S. 401, Nantes 1997
7. Technische Beschreibung der Systeme LUIS 72L und LUIS 747, UltraOptec, Boucherville, Kanada

   Alle Bilder mit freundlicher Genehmigung von ULTRAOPTEC Inc., Boucherville, Kanada.

Kontaktadresse des Autors:

Michel Honlet
HONLET Optical Systems GmbH
Am Schlossberg 3
D - 89284 Pfaffenhofen
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