DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Riss- und Gefügeprüfung mit akustischer Resonanzanalyse im Schall- und Ultraschallbereich für Kfz-Sicherheitsteile

Ingolf Hertlin, RTE Akustik + Prüftechnik GmbH, Pfinztal
Thomas Herkel, RTE Akustik + Prüftechnik GmbH, Pfinztal
Kontakt: Hertlin Ingolf Dipl.-Inform.

Zusammenfassung

Die akustische Resonanzanalyse, auch als "Klangprüfung" bezeichnet, ist - manuell angewendet - ein vielfach eingesetztes Prüfverfahren. Die industrielle Nutzung zur schnellen, zerstörungsfreien Serienprüfung ist dagegen noch nicht in gleicher Weise eingeführt und akzeptiert, da bislang die systematische Betrachtung und Bewertung der Einflussbedingungen sowie leistungsfähige Systeme für den Einsatz in rauer Industrieumgebung fehlte. RTE hat diese Lücken geschlossen und die akustischen Materialprüfsysteme SR20AT für den hörbaren Bereich und USR50 für den Ultraschallbereich entwickelt und mehrfach erfolgreich industriell in der 100 % Prüfung installiert.
Anhand verschiedener Anwendungsbeispiele wird der Stand der Technik dargestellt, das Verfahren erläutert, die Anwendbarkeitsgrenzen angesprochen und die weitere Entwicklung aufgezeichnet.

1 Einleitung

Methoden der akustischen Mess- und Prüftechnik gewinnen durch die steigenden Qualitätsanforderungen zunehmend an Bedeutung. Sie kommen heute in vielen Bereichen zum Einsatz, z. B. bei der Schwingungs- und Geräuschminderung und für die Werkstück-, Material-, Maschinen-, Prozess- und Produktüberwachung zur Störungserkennung. Die Klangprüfung ist auch heute noch eine sehr verbreitete Methode, nicht nur bei der Geschirr- und Gläserprüfung im Kaufhaus, sondern als subjektive Prüfmethode auch in der Industrie. Genaugenommen wird jedoch nicht der "Klang" ausgewertet, sondern die Resonanzfrequenzen, in denen der angeschlagene Körper schwingt. In der Serienfertigung ist dieses Verfahren durch menschliche Prüfer jedoch
  • bei hohen Lohnkosten viel zu teuer,
  • unzuverlässig, insbesondere in lauter Umgebung,
  • nicht reproduzierbar und dokumentierbar,
  • zu ungenau, weil das menschliche Ohr feine Frequenzunterschiede nicht erkennt,
  • ungeeignet, weil sich der Mensch nur kurze Zeit konzentrieren kann. Die Klangprüfung ist zusammen mit der Sichtprüfung die älteste ZfP-Methode, die man in
  • volumenorientierte und
  • oberflächenorientierte Verfahren
gruppieren kann (Bild 1). Da sich alle Prüfmethoden ergänzen, ist je nach Art der Fehler und Anzeigen, die ermittelt werden sollen, das am besten geeignete Verfahren auszuwählen.


Bild 1: Klassierung der ZfP-Verfahren

2 Physikalische Grundlagen

Die Akustik ist ein spezielles Gebiet der Physik und beschäftigt sich mit den Phänomenen von Schwingungen und Geräuschen bei der Entstehung, Abstrahlung, Ausbreitung, Aufnahme und Verarbeitung.
In homogenen Medien breitet sich der Schall unverzerrt mit einer konstanten Geschwindigkeit aus. In der Praxis ist dieses jedoch in der Regel nicht gegeben, so dass Effekte wie z. B. Beugung, Brechung, Reflexion und Dämpfung berücksichtigt werden müssen, auf die hier jedoch nicht eingegangen werden kann.
Die mechanischen Auslenkungen in elastischen Medien wie Gase, Flüssigkeiten oder Festkörpern heißen elastische Wellen. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit c ist in einem steifen Medium höher als in einem weichen Medium und im wesentlichen eine Materialkonstante (Dichte, Elastizitätsmodul). Die Schallausbreitung ist eine gerichtete Größe (Vektor) und hängt von der Form des Körpers ab (Reflexion).
In Festkörpern unterscheidet sich die Schallausbreitung gegenüber Gasen und Flüssigkeiten dadurch, dass neben Kompressionswellen auch Schubspannungen und Schubdeformationen auftreten können. Folgende Wellentypen können dabei auftreten (Bild 2):

Longitudinalwelle Ausbreitung ähnlich wie in Gasen und Flüssigkeiten, d. h. parallel zur Ausbreitungsrichtung. Lokale Verdichtungszonen und Zonen mit geringerer Dichte.
Transversalwelle Partikel des Körpers schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung um die Ruhelage. Nur Schubdeformation, keine Volumenänderung.
Bild 2: Grundwellentypen

Generell ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Longitudinalwellen schneller als die der Transversalwellen. Die Wellenbewegungen in elastischen Körpern lassen sich als Summe von reinen Longitudinalwellen und reinen Transversalwellen beschreiben. Sie bilden die Grundtypen, aus denen alle anderen Wellentypen aufgebaut werden können (Tabelle 1):

WellenartBeschreibung
Dehnwelle Longitudinalwelle, bedingt durch Querkontraktionen senkrecht zur axialen Ausbreitungsrichtung in einem stabförmigen Körper.
Biegewelle Transversalwelle, neigt am ehesten zur Schallabstrahlung. Schallgeschwindigkeit ist von der Frequenz abhängig (unterschiedliche Frequenzen weisen unterschiedliche Laufzeiten von einem zum anderen Ende des Festkörpers auf (Brechung)).
Torsionswelle Drehschwingung senkrecht zur Ausweitungsrichtung; von Bedeutung für Materialuntersuchungen in Stäben.
Rayleighwelle Oberflächenwelle, deren Amplitude von der freien Oberfläche gegen das Innere eines Körpers exponentiell abnimmt. Tritt bei dicken Körpern und hohen Frequenzen auf.
Tabelle 1: Kombinationen der Grundwellentypen

Die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten von Longitudinal- und Transversalwellen sind Materialkonstanten und hängen von elastischen Eigenschaften (E-Modul) und Materialdichte ab. Da diese wiederum temperaturabhängig sind, ist auch die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig.

3 Akustische Resonanzanalyse

Fast alle Körper schwingen, wenn man sie durch einen Schlag oder eine von außen aufgezwungene Schwingung anregt. In einem Körper sind eine Vielzahl von solchen Schwingungen enthalten. Die Schwingungen, mit denen der Körper vorzugsweise schwingt, werden natürliche Eigen- oder Resonanzschwingungen genannt, meist bezeichnet als Resonanzfrequenzen oder kurz Resonanzen. Die akustische Resonanzanalyse als ZfP-Verfahren nutzt diesen Effekt, um auf den Zustand des Werkstückes zu schließen. Aus den Resonanzfrequenzen lassen sich werkstückspezifische akustische Kennwerte berechnen ("finger print"), und damit Gütemerkmalen zuordnen. Sie kann entweder im hörbaren Bereich (kleiner 16 kHz) oder im nicht hörbaren Frequenzbereich (> 16 kHz) stattfinden. Im hörbaren Bereich nennt man das Verfahren auch Klangprüfung, obwohl wie gesagt nicht der Klang betrachtet wird, sondern die Resonanzfrequenzen des schwingenden Körpers (Bild 3). Im nicht hörbaren Bereich spricht man von Ultraschallresonanzprüfung.


Bild 3: Zeitsignal und zugeordnete Resonanzen (Spitzen)

Die Schwingungen sind quasi die "Sprache" des Werkstückes, die man mit einem Sensor erfassen und digital analysieren kann. Die Resonanzen in einem Körper hängen u. a. vom Material, der Geometrie und dem Zustand ab. Jede Eigenschaft repräsentiert eine stehende Welle mit einer Resonanzfrequenz. Während beispielsweise eine Flöte vorzugsweise mit einer einzigen Frequenz (Grundschwingung und harmonische Oberschwingungen) schwingt, entstehen in anderen Körpern eine Vielzahl von Frequenzen, die miteinander in keiner (einfachen) mathematischen Beziehung stehen.
Die Resonanzanalyse erfordert ein systematisches und schrittweises Vorgehen, um die Wirkungsweise der verschiedenen Einflussfaktoren auf die Resonanzfrequenzen kennen zu lernen und zu bewerten.
Folgende Schritte sind nacheinander durchzuführen:

  1. Lagerung, Anregung und Messposition bestimmen,
  2. Eigenfrequenzen von Gut-Werkstücken bekannter Geometrie, Material, Härte und Struktur messen,
  3. Eigenfrequenzen analysieren nach Richtung (Spektralverschiebung), Größe und Vorhandensein,
  4. Eigenfrequenzen vergleichen mit exemplarischen Schlecht-Werkstücken,
  5. Klassifikationsalgorithmus festlegen.
Jede Veränderung in einem der Schritte erfordert die erneute Durchführung der nachfolgenden Schritte! Aus den Resonanzfrequenzen lassen sich werkstückspezifische akustische Kennwerte berechnen und Gütemerkmalen zuordnen wie z. B.
  • in Ordnung,
  • rissbehaftet,
  • Material- und Gefügefehler,
  • gehärtet oder teilgehärtet.
Diese Kennwerte sind abhängig von der Geometrie, dem Material und der (inneren) Struktur. Ändert sich eine dieser Eigenschaften, so ändern sich gleichfalls einzelne oder mehrere Resonanzfrequenzen, die diese Eigenschaft repräsentieren. Die Resonanzanalyse ist eine volumenorientierte Prüfmethode, die bei richtiger Anwendung für eine Vielzahl von Werkstücken geeignet ist. Zu den hervorragenden Eigenschaften zählen:
  1. Gesamtes Werkstück
    Die akustische Resonanzanalyse bezieht das gesamte Objekt in die Messung und Bewertung ein, da sich die Schwingungen im gesamten Körper ausbreiten. Anders als bei anderen Verfahren muss der mögliche Fehlerort vorher nicht bekannt sein.
  2. Reproduzierbar und objektiv
    Auch die wiederholte Anregung eines Werkstückes erzeugt exakt die gleichen Resonanzfrequenzen! Aufgrund der Digitalisierung des Messsignals weichen die Resonanzfrequenzen maximal lediglich um 1 Messauflösung ab!
  3. Empfindlich / hohe Auflösung
    Je länger das Werkstück nach dem Anschlagen klingt, desto höher ist die Messauflösung. Bei hoher Auflösung haben schon geringe Eigenschaftsänderungen einen Einfluss, und ermöglichen auch feine Fehler zu erkennen.
  4. Automatisierbar
    Im Vergleich zu allen anderen volumenorientierten Prüfverfahren ist der Aufwand für eine automatische Resonanzprüfung in der Fertigung deutlich geringer. Aufwändige Vorrichtungen und Abschirmungen sind nicht erforderlich.
  5. Umweltfreundlich
    Die Resonanzanalyse ist sauber und trocken. Verbrauchsmaterialien und umweltbelastende Stoffe gibt es nicht.
  6. Schnell
    Die Messung und Berechnung der Resonanzfrequenzen geschieht innerhalb von Sekunden. Die Dauer ist abhängig von verschiedenen Faktoren wie der Klangdauer, der erforderlichen Auflösung und der Anzahl von Anregungen des Werkstückes.
  7. Preiswert
Weder Verschleißteile noch Verbrauchsmaterialien sind erforderlich. Andererseits gibt es wie bei jedem anderen Verfahren auch methodisch oder physikalisch bedingte Einschränkungen.
  1. Defektgrößen
    Die Resonanzanalyse ist ein qualitatives Verfahren. Aussagen über Defektgrößen sind nur auf der Basis von vergleichbaren Referenzobjekten möglich.
  2. Defektanregung
    Sollen Risse in einem Werkstück erkannt werden, ist zu analysieren, wo und wie sich diese typischerweise ausbilden. Risse sind flächenhafte (atomare) Bindungsdefekte, die die Ausbreitung der Wellen im Körper "unterbrechen" und besonders dann deutlich messbar, wenn sich die Rissfläche senkrecht zur Anregungsrichtung befindet (unter Umständen Anregung an verschiedenen Stellen bzw. Richtungen).
  3. Struktur des Werkstückes Ein komplexer Körper besitzt eine Vielzahl an Resonanzfrequenzen, die sich unter Umständen nur wenige Hertz voneinander unterscheiden. Veränderungen einzelner Frequenzen lassen sich dann nicht mehr eindeutig zuordnen.
Bei der Analyse der Resonanzfrequenzen lassen sich u. a. folgende Effekte beobachten:
  1. Verschiebung einzelner Resonanzfrequenzen Eine oder mehrere Resonanzlinien können sich verschieben, wenn sich Maße verändern oder die Werkstückstruktur.
  2. Verschiebung aller Resonanzfrequenzen
    Verändern sich alle Frequenzen um den gleichen Betrag in die gleiche Richtung, ist dieses ein Hinweis auf eine Gefügeänderung, z. B. Härteänderung oder Zusammensetzung (globularer Graphit in Gusseisen, Nodularität bei Sphäroguss).
  3. Vorhandensein
    Fehlen einzelne Linien, so können im Material Risse sein oder sich die Struktur verändert haben, z. B. durch Abbrüche oder Formänderungen.
  4. Aufspreizung
    Eine einzelne Resonanzfrequenz kann sich in zwei Frequenzen aufspalten, d. h. im Spektrum sind zwei statt eine Resonanzfrequenz vorhanden. Dieser Effekt ist manchmal bei Rissen zu beobachten.


    Einzelresonanz eines Gutteils

    Frequenzaufspreizung eines Schlechtteils

  5. Abstandsänderung Der Abstand zwischen zwei Frequenzen ist normalerweise fest. Eine Änderung (größer, kleiner) deutet auf einen Defekt im Körper hin.
  6. Pegeldämpfung Die Dauer einer Schwingung bzw. die Geschwindigkeit der Abnahme (Dämpfung) ist ebenfalls ein Maß für die Beschaffenheit des Werkstückes. Da dieses Maß jedoch bei weitem nicht so präzise ist wie die Lage einer Resonanzfrequenz (Reproduzierbarkeit hängt direkt von der Anschlagstärke ab), verwendet man die Dämpfung meist nur in Verbindung mit anderen Merkmalen. Ursache für eine veränderte Pegeldämpfung können Gefügeänderungen oder Risse sein.
  7. Frequenzbezogene Dämpfung Auch die Dämpfung einzelner Resonanzfrequenzen kann man betrachten (frequenzselektives Abklingverhalten). Solche Effekte deuten beispielsweise auf Gefügeauflockerungen hin.
  8. Modulation Als Modulation bezeichnet man die Veränderung von Signaleigenschaften eines Trägers in Abhängigkeit von einem modulierenden Signal: es entstehen neue Frequenzen. In einem durch einen Schlag angeregten Körper entstehen diese durch die Beeinflussung der Resonanzfrequenzen untereinander. Die Ursachen sind abhängig vom jeweiligen Körper.

4 Akustische Prüftechnik

Ein akustisches Prüfsystem hat den in Bild 4 dargestellten Aufbau.


Bild 4: Funktionsstruktur eines akustischen Prüfsystems

Es besteht aus einem oder mehreren Sensoren (Mikrofone, Körperschallaufnehmer), die das Geräusch in elektrische Signale wandeln und über Filter und Verstärker an die nachfolgende Verarbeitungskette anpassen. In der nächsten Stufe erfolgt die Merkmalextraktion, die aus dem Signal die charakteristischen Merkmale extrahiert. Die Werte dieser Merkmale vergleicht man nun mit den Qualitätsforderungen (Merkmalklassifikation). Die Übereinstimmung oder Nicht-Übereinstimmung mit den festgelegten Forderungen ergibt das Qualitätsurteil.

Die Prüfverfahren gliedern sich also in zwei Verarbeitungsstufen: in die Merkmalextraktion und in die Klassifikation. Die Merkmalextraktion bewirkt die Informationsverdichtung. Das Schallereignis bzw. Sensorsignal muss in dieser Stufe so prägnant beschrieben werden, dass alle für den Beurteilungsprozess wesentlichen Informationen in charakteristischen Merkmalen enthalten sind. Sie erfordert Verfahren, mit denen die charakteristischen Kennwerte aus dem Schwingungssignal extrahiert werden. Bei nicht-stationären (impulshaften) Geräuschen und Schwingungen findet also eine Analyse der Geräusche im

  • Zeitbereich,
  • Frequenzbereich und
  • Modulationsbereich
statt. Da die Analyse und Merkmalextraktion heute fast ausschließlich von digital arbeitenden Systemen durchgeführt wird, findet häufig die Fast-Fourier-Transformation (FFT) oder auch die digitale Filterung Anwendung.
Wie Tabelle 2 zeigt, haben die drei Bereiche Anregung, Vorrichtung und Sensorik einen großen Einfluss auf das Ergebnis einer Resonanzanalyse. Insbesondere haben Art, Ausführung und Position ein besonderes Gewicht. Tabelle 2 beschreibt die Einflussfaktoren im Einzelnen.

Art Ausführung Position Anzahl Richtung Abstand
Anregung ja ja ja ja ja nein
Vorrichtung ja ja ja nein nein nein
Sensorik ja ja ja ja ja ja
Einfluss groß groß groß mittel mittel gering
Tabelle 2: Einflussfaktoren


Bild 5: Struktur des Prüfsystems SR20AT

Bild 5 zeigt beispielhaft den Aufbau des akustischen Materialprüfsystems SR20AT der Firma RTE Akustik + Prüftechnik, Pfinztal. Bei einer vollautomatischen Prüfanlage übernimmt in der Regel eine SPS die gesamte Kommunikation mit dem Prozess und ist für die Prüfstandssteuerung sowie das Werkstückhandling verantwortlich. Die Werkstückanregung erfolgt durch das Prüfsystem selber, um die Synchronisation zwischen Anregung und Messung zu gewährleisten.

Zusätzliche Sensorik oder auch die Kommunikation mit anderen Systemen wie Bildverarbeitung oder Prüfsystemen mit ergänzenden Verfahren ist durch den direkten Anschluss an SR20AT möglich. Durch eine zentrale Dokumentation und Archivierung der Ergebnisse ist auch die Durchgängigkeit und einheitliche statistische Analyse sowie Rückverfolgbarkeit sichergestellt. Das Prüfsystem SR20AT ist aus einzelnen Komponenten aufgebaut, die ineinander greifen und vielfältige Funktionen dem Anwender bereitstellen (Bild 6).

Bild 6: Bedienerschnittstelle von SR20AT (Auswahl)
  • Prüfergebnisdarstellung
  • Einzelergebnisse der Prüfmerkmale
  • Resonanzlinie
  • Statische Analyse: Fehlerverteilung
  • 5 Anwendungen in der Praxis

    Wesentliche Voraussetzung für die erfolgreiche Anwendung in der Serienprüfung ist das Engineering. Dabei muss man sich systematisch und umfassend mit dem Prüfobjekt, dem Material, der Lagerung bei der stoßweisen oder kontinuierlichen piezoelektrischen Anregung, geeigneten Anregungs- und Messposition(en) sowie der geeigneten Sensorik befassen.

    Industrie Material Produkte (Beispiele) Prüfung auf
    Gießerei Sphäroguss Bremshalter, Achsschenkel Nodularität, Risse, Lunker

    Grauguss Nockenwellen, Bremsscheiben, Nockenringe Weißeinstrahlung, Risse, Eigenfrequenz

    Temperguss Federplatten Risse, Gefüge

    Aluminium Pedale, Lenkradskelette, Lenkgehäuse Risse


    Fahrwerksteile, Zylinderkopf, Felgen Risse, Lunker
    Schmiede
    Pleuel, Achszapfen, Synchronringe Risse
    Sintermetall
    Kettenräder, Zahnriemenräder Risse


    Steuerscheiben, Planetenträger Risse
    Stahl
    Rohrgelenkwellen, Zahnstangen
    Risse, Eigenfrequenz


    Airbaghülsen


    Felgen Risse
    Verbindungen Reibschweißung Turboladerräder Verbindungsgüte



    Keramikplatten
    Verbindungsgüte, Risse



    Planetenträger
    Lötverbindung
    Keramik
    Ziegel, Industriekeramik Risse, Oberfläche, Maßhaltigkeit


    Katalysatoren Risse
    Glas
    Flaschen Risse
    Tabelle 3: Anwendungsgebiete der Resonanzanalyse

    Aus der Vielzahl der Anwendungsmöglichkeiten werden folgende Beispiele näher betrachtet:

    • Riss- und Härteprüfung von Zahnstangen
    • Rissprüfung von Sintermetallteilen
    • Riss- und Gefügeprüfung von Bremsenkomponenten (Sattel, Träger)

    5.1 Riss- und Härteprüfung von Zahnstangen

    Zahnstangen von Kfz-Lenkungen unterliegen einer strengen Fertigungs- und Qualitätskontrolle. Durch die verschiedenen Bearbeitungsvorgänge wie Drehen, Bohren, Fräsen, Schleifen, Richten und Härten können Risse im Körper sowie Anzeigen an der Oberfläche entstehen, die nicht toleriert werden. Die Zahnstange wird mehrfach gedreht und angeschlagen und die Messungen untereinander verglichen (Bild 7).

    Bild 7: Zahnstangenprüfung

    5.2 Prüfung von Sintermetallprodukten

    Die zu prüfenden Werkstücke aus Sintermetall laufen nach dem Sinterofen auf ein Förderband und sind auf Risse und Materialhomogenität zu prüfen. Die Prüfanlage vereinzelt die Werkstücke, richtet sie einheitlich aus, prüft sie und fördert sie anschließend weiter (Gutteile) bzw. sortiert die Fehlteile aus (NIO-Ablage). Die Anlage prüft 900 Teile pro Stunde. Die Resonanzmethode ist u. a. deshalb sehr gut für die Prüfung von Sintermetallprodukten geeignet, weil die Resonanzfrequenzen auch von der Dichte / Dichteverteilung abhängen. Ausrichten (links) und Prüfen (rechts) Automatikprüfanlage mit Transportbändern

    Bild 8: Prüfung von rotationssymmetrischen Werkstücken

    5.3 Riss- und Gefügeprüfung von Bremsenkomponenten

    In sphäritischem Gusseisen mit Kugelgrafit (EN-GJS-xxx-y) kommt es für die Materialgüte auf eine gute Grafitkugelausbildung und Rissfreiheit an. Gleichzeitig soll qualitativ erkannt werden, ob die Werkstücke wärmebehandelt wurden (Härte). Die Prüfanlage erlaubt die gleichzeitige zerstörungsfreie Riss- und Gefügeprüfung von Gussteilen wie Bremssattel (Bild 9) innerhalb weniger Sekunden im Fertigungstakt. Auf diese Weise ist eine 100 % Prüfung sichergestellt, um laufend die Fertigungsgüte zu überwachen. Sphäroguss mit Kugelgrafit Rundtakttisch für Bremsenteile mit Kombination von visueller Prüfung, Wirbelstrom- und Resonanzprüfung Bild 9: Riss- und Gefügeprüfung von Bremsenteilen

    6 Ausblick

    Die Resonanzanalyse ist ein schnelles, kostengünstiges und mit geringem Aufwand automatisierbares Verfahren, das über eine Reihe von besonderen Eigenschaften verfügt. In der Zukunft kommt es darauf an, dass dieses Verfahren seine Anerkennung und Akzeptanz neben den "klassischen" ZfP-Verfahren erlangt. Hierzu sind insbesondere erfolgreiche praktische Anwendungen erforderlich. Dabei sind den Anwendern Systeme anzubieten, die durch Kombination von Oberflächen- und Volumenprüfung eine kostengünstige Serienkontrolle im Fertigungstakt ermöglichen.

    Literatur

    Hertlin, I.: Akustische Resonanzanalyse. Informationsschriften zur zerstörungsfreien Prüfung (ZfP kompakt und verständlich). Band 5. Castell-Verlag. 2003 (in Vorbereitung)

    STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net