Zusammenfassung

Akustische Resonanzanalyse zur zerstörungsfreien Materialprüfung in der Serienfertigung aus dem Hause RTE Akustik + Prüftechnik GmbH ist erprobt, erfolgreiche Realisierungen aus verschiedenen Branchen liegen vor.

Akustische Prüftechnik zur zerstörungsfreien Materialprüfung ist schon sehr alt: z. B. regen Verkäufer in Geschäften Gläser oder Porzellan durch Anschlagen zu Schwingungen an und beurteilen durch den Klang die Güte. Bei einem Riß "scheppert" das Glas anstatt zu klingen.
Neu ist die industriegerechte Umsetzung dieser Methoden im Fertigungsalltag in unterschiedlichen Branchen und für unterschiedliche Produkte. Mit modernen, leistungsfähigen Rechnersystemen wird dem menschlichen Gehör "auf die Finger geschaut". Die zuverlässige Einbindung in eine Taktzeit von wenigen Sekunden unter den Randbedingungen der Serie ist problemlos möglich.

Einleitung

Rationalisierung und zuverlässige automatisierbare Prüftechnik in der Serie sind heute zunehmend wichtig, um der Diskussion um den Produktionsstandort Deutschland und dem zunehmenden Kostendruck wirtschaftlich zu begegnen. Forderungen der DIN ISO 9000 nach dem Nachweis und der Dokumentation der Produktqualität lassen sich mit einer subjektiven Prüfung oder zerstörenden Stichprobenprüfung nur schwer genügen. Umständliche und kostspielige Prüftechnik läßt die Kunden zu spät auf Änderungen von Prozeßparametern reagieren, das "Neuanfahren" der Prozesse bleibt nach wie vor kritisch, die schritthaltende meßtechnische Produktbeurteilung ist unerfüllt.
Mit Prüftechnik aus dem Hause RTE kann die Produktions- und Prozeßsicherheit deutlich erhöht werden. Die Detektion von Riß- und Gefügefehlern läßt sich industriegerecht im Produktionstakt mit akustischen Methoden sicherstellen. Die heute eingesetzten Standardverfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung sind teils zu teuer und aufwendig, teils ist erhebliches Vorwissen erforderlich. Die zerstörungsfreie Materialprüfung per Resonanzanalyse weist hier bereits im Industriealltag erprobte neue Wege.

Akustik

Gegenstand der Akustik sind Schallfelder, d. h. die Beschreibung und Erklärung der Phänomene der Schallentstehung, der Schallabstrahlung, der Schallausbreitung und der Schallaufnahme. Unter Schall (Luftschall: Ton, Klang, Geräusch) im engeren Sinne versteht man elastodynamische Schwingungen und Wellen im Medium Luft im für den Menschen hörbaren Frequenzbereich von ca. 20 Hz bis 16 kHz. Mechanische Schwingungen in der Struktur (Körperschall) und abgestrahlte Schwingungen in die umgebende Luft (hörbarer Luftschall) tragen Information. Die Resonanzen hängen eindeutig von der Geometrie, dem Zustand und dem Material ab.
Die akustische Meßtechnik ist sehr sensitiv, geringe Änderungen des Schwingungsverhaltens mechanischer Strukturen können detektiert werden. Die Resonanzanalyse ist ein qualitatives Verfahren, das den IST-Schwingungszustand mit dem SOLL-Schwingungszustand der Lernbasis vergleicht. Anhand von definierten Musterteilen ist diese Lernbasis festzulegen.

Verfahren Akustische Resonanzanalyse

Die akustische Resonanzanalyse ist ein neues, zerstörungsfreies Prüfverfahren, das die schnelle und aufwandsarme 100% Prüfung einer breiten Palette von Prüfobjekten ermöglicht. Ausgenutzt wird der bekannte physikalische Effekt, daß ein Körper nach geeigneter Anregung (z. B. Anschlag) in bestimmten charakteristischen Formen und Frequenzen schwingt (seine natürlichen Resonanzen). Die Schwingungen sind quasi die "Sprache" des Prüfobjektes, sein "finger print", die man mit einem Sensor erfassen und digital analysieren kann.
Aus den Resonanzfrequenzen lassen sich werkstückspezifische akustische Kennwerte berechnen und Gütemerkmalen zuordnen, z. B.:
• in Ordnung,
• rißbehaftet,
• Material- und Gefügestruktur
• gehärtet / vergütet ja/nein

Die Kennwerte sind abhängig von der Größe, dem Material und der (inneren) Struktur. Ändert sich eine dieser Eigenschaften, so ändern sich gleichfalls einzelne (oder mehrere) Resonanzfrequenzen, die diese Eigenschaft repräsentieren.

Schlüsseleigenschaften der akustischen Resonanzanalyse (AR)

• AR beurteilt das gesamte Prüfobjekt unabhängig von seiner Größe. Es werden keine lokalen Bereiche abgetastet und auf Fehler untersucht.
• AR ist einfach automatisierbar. Die Prüfung mit Hilfe eines Computers ist schnell, preiswert und exakt wiederholbar (keine subjektive Beurteilung).
• AR ist ein qualitatives Verfahren. Aussagen über Defektgrößen sind auf der Basis von vergleichbaren Referenzobjekten möglich.
• AR ist ein trockenes Verfahren ohne Chemie und Umweltprobleme.
• AR ist erprobt und zuverlässig (die Klanganalyse" bei Glas und Porzellan ist uralt).

Anwendungen in der Praxis

Akustische Resonanzanalyse aus dem Hause RTE ist erprobt, erfolgreiche Realisierungen in der Serienprüfung in verschiedenen Branchen liegen vor, exemplarisch einige Beispiele:
• Prüfung von Bremssattel aus Sphäroguß auf Gefügeänderungen, Risse und Lunker
• Prüfung von Gußrohren (6m Länge) auf Risse und Gefüge
• Prüfung von Nockenwellen auf Weißeinstrahlung
• Rißprüfung von Graphitelektroden
• Rißprüfung von Ringen und Zahnriemenrädern aus Sintermetall
• Rißprüfung von geschmiedeten Synchronringen
• Prüfung von Dachziegeln auf Risse
• Prüfung von Glas auf Risse und Spannungszustände
• Prüfung von Al und Mg-Druckguß

Beispiel 1: 100 % Kontrolle von Gußteilen in der Serie

Produkt: Sicherheitsteile aus Sphäroguß für Automobilbremsen
Aufgabenstellung: Im Rahmen der 100% Qualitätsprüfung der Teile sind Gefüge-, Gieß- und Rißfehler, sowie Lunker zuverlässig zu erkennen. Die Lokalisierung der Fehler ist nur eingeschränkt gegeben. Es gibt zahlreiche verschiedene Typen, aufwendige Rüstzeiten werden nicht toleriert.
Bei der Aufgabenstellung Prozeßkontrolle beim "Anfahren" des Prozesses gilt es von Anfang an objektive Meßgrößen zu definieren, anhand derer der Zustand des Prozesses und somit die Güte der Produkte beurteilt werden kann. Die Freigabe der Gußteile sollte ohne langwierige zerstörende Prüfung erfolgen. Die herrschenden Umgebungsbedingungen sind typisch für eine Gießerei (u.a. hoher Störschallpegel, Graphitstaub)
Lösungskonzept: Die Prüfung ist als 100% Serienprüfung am eigens zur Endprüfung errichteten Rundtakttisch ausgeführt. Die Meßgröße ist Schall, wobei der Prüfling definiert zu Schwingungen angeregt wird. Die Aufnahme und Analyse erfolgt in wenigen hundert Millisekunden auf dem Prüfsystem SR20.
Durch die Implementierung von selbstlernenden Verfahren ("Referenzfahrt", "Kontrollfahrt") erfolgt der Typenwechsel auf Knopfdruck. Die Überwachung aller für die Klangprüfung relevanter Parameter durch das Prüfsystem führt zu einer hohen Anlagenverfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Prüfaussage. Über die SPS der Anlage können durch die Funktion "online Parametrierung" Parameter während des Betriebes von autorisierten Personal geändert werden. Die Eingabe wird vom System auf deren physikalischen Sinn überprüft, um den Prüfprozeß nicht zu gefährden. Aus dem Schallsignal werden in Echtzeit Merkmale im Zeitbereich und Frequenzbereich berechnet und gegen vorgegebene Grenzen geprüft.
Ergebnis: Kosteneinsparung durch schnelle Prozeßoptimierung
Rückgang der Kundenreklamationen durch Sicherstellung des Qualitätsstandards, (Sicherheitsaspekt!). Hohe Prozeßsicherheit ( Erkennung von Strukturfehlern und Aussageschärfe bei Rißfehlern bisher mit anderen Verfahren nicht möglich).

Diagramm 1: Darstellung des Prüfobjektes

Beispiel 2: Detektion des Gefügefehlers "Weißeinstrahlung" an Nockenwellen

Diagramm 2: Zeitsignal: zeitlicher Verlauf des Klangsignals, 100 Millisekunden sind ausreichend

Diagramm 3: Frequenzspektrum des Klangsignals, jeder Peak entspricht einer Eigenschwingung und kann als Prüfmerkmal herangezogen werden.

Produkt: Gegossene Nockenwellen für Automobil
Fehler Weißeinstrahlung: Nockenwellen mit Weißeinstrahlung führen bei der nachfolgenden Bearbeitung zu hohem Werkzeugverschleiß und sind spröde.
Aufgabenstellung: Im Rahmen der 100% Qualitätsprüfung der Teile sind Fehler "Weißeinstrahlung" zuverlässig zu erkennen. Es gibt zahlreiche verschiedene Typen, aufwendige Rüstzeiten werden nicht toleriert. Die herrschenden Umgebungsbedingungen sind typisch für eine Gießerei (u.a. hoher Störschallpegel, Graphitstaub)
Lösungskonzept: Die Lösung und Umsetzung der Prüfaufgabe erfolgt mit dem kompakten, industriegerechten Prüfsystem SR20. Die Meßgröße ist Schall, wobei der Prüfling definiert zu Schwingungen angeregt wird. Die Aufnahme und Analyse erfolgt in wenigen hundert Millisekunden. Aus dem Schallsignal werden in Echtzeit Merkmale im Zeitbereich und Frequenzbereich berechnet und gegen vorgegebene Grenzen geprüft (Vergleichsverfahren).
Durch die Implementierung von selbstlernenden Verfahren ("Referenzfahrt", "Kontrollfahrt") erfolgt der Typenwechsel auf Knopfdruck. Die Überwachung aller für die Klangprüfung relevanter Parameter durch das Prüfsystem führt zu einer hohen Anlagenverfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Prüfaussage.
Ergebnis: Rückgang der Kundenreklamationen durch Sicherstellung des Qualitätsstandards, hohe Prozeßsicherheit (Erkennung der Weißeinstrahlung und die erzielte Aussageschärfe bisher mit anderen Verfahren nicht möglich!)

Vorstellung der Ergebnisse aus der Serie: Es wurden mit der Klangprüfung 80 Serienprüflinge Nockenwelle eines Typs und definierten Zustandes analysiert. Die Prüflinge wurden nach der akustischen Vermessung bezüglich deren Güte verifiziert, z.T. mit zerstörenden Verfahren. Nachfolgend das Zeitsignal in Diagramm 2, das Frequenzspektrum eines definierten Meßfensters in Diagramm 3, eine Übersicht über die Verteilung der Eigenfrequenzen (exemplarisch 1 Frequenzlinie) über die Prüflinge in Diagramm 4. Tabelle 1 gibt die Statistik wieder.

Minimum	Maximum	Mittelwert MW	STD	MW + 3 x STD
8053 Hz	8263 Hz	8117 Hz	28,9 Hz	8204 Hz
Tabelle 1: Statistik der untersuchten 80 Serienprüflinge verifizierter Güte

Fazit: Die Prüflinge 60 und 61 mit den Eigenfrequenzen Prüfling 60: 8263 Hz und Prüfling 61: 8258 Hz lassen sich signifikant auf der statistischen Basis der 80 Prüflinge verifizierter Güte detektieren.

Diagramm 4: Ausprägung der Eigenfrequenz (exemplarisch Frequenzmerkmal bei ca. 8 kHz) über 80 Serienprüflinge (x-Achse: Prüflingsnummer, y-Achse: Eigenfrequenz in Hz)

Beispiel 3: Aludruckguß - Vergleich mit Farbeindringprüfung

Produkt: Lenkgehäuse für Automobil
Fehler: Risse, Lunker
Aufgabenstellung: Serienprüfung, direkt nach dem Gießprozeß
Ergebnisse von Serienversuchen:
• Alle bei der Rißprüfung per Farbeindringverfahren auffälligen Prüflinge zeigen auch in der akustische Prüfung signifikante Unterschiede zum mittleren i.O.-Muster.
  Einige zunächst per Farbeindringprüfung als i.O. klassifizierten Prüflinge wurden aufgrund akustischer Auffälligkeit erneut per Eindringverfahren auf Riß geprüft. Das Ergebnis der akustischen Resonanzanalyse wurde bestätigt.
• Von 20 gemäß Farbeindringprüfung als n.i.O. beurteilten Prüflinge konnten 18 anhand akustischer Merkmale ebenso als n.i.O. erkannt werden. Die beiden nicht erkannten Prüflinge (gemäß Resonanzanalyse i.O.) wurden per zerstörender Schnittbildanalyse als i.O. befunden.
• Aus 50 verkaufsfertigen" Prüflingen (gem. Röntgen- und Farbeindringprüfung als i.O. klassifiziert) wurden 2 Prüflinge mit auffälligen akustischen Kennwerten (gem. Resonanzprüfung n.i.O.) gefunden. Diese wurden erneut gründlich per Röntgenverfahren geprüft. Es wurde ein deutlicher Fehler (langer Lunker) festgestellt. Die Teile wurden daraufhin als n.i.O. eingestuft und nicht ausgeliefert.
• Reproduzierbarkeit - Vergleich der Verfahren
  Resonanzanalyse: 100 % Übereinstimmung der akustischen Kennwerte Farbeindringprüfung: bei einer Wiederholprüfung mit verschiedenen Prüfern wurde nur eine Übereinstimmung des Prüfergebnisses i.O. / n.i.O. von wenigen Prozent festgestellt !

Diagramm 5: Exemplarische Darstellung des Prüfmerkmals Abklingverhalten einer Eigenresonanz" über 2 i.O. Prüflinge (obere Kurven) und 2 n.i.O. Prüflinge (untere Kurven). Die n.i.O. Prüflinge klingen signifikant schneller ab.

Beispiel 4: Magnesium-Druckguß

Produkt: Lenkradskelette
Fehler: Risse
Aufgabenstellung: Serienprüfung
Ergebnisse eines Serienversuchs:
• Es gibt eine gute Korrelation zwischen akustischen Kennwerten und Prüflingsqualität.
• Parametereinflußanalyse
  • Prüflingstemperatur und Auslagerungszeit (innerer Spannungszustand!): groß
  • Nestabhängigkeit: gering
• Alle Prüflinge mit Riß wurden reproduzierbar erkannt.
• Alle Prüflinge i.O. wurden reproduzierbar als solche erkannt.
• 1 Prüfling mit der Vorklassifizierung i.O. war akustisch auffällig. Es zeigte sich bei einer zerstörenden Verifikation ein Fehler im Gefüge (Materialtrennung).

Diagramm 6: Darstellung des Resonanzeffektes Frequenzaufspreizung

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