Laser-Ultraschall

Laser-Ultraschall (Laser-Ultrasonics)

Laser Ultraschall ist eine Methode Ultraschallsignale berührungslos mittels eines Lasers in einer Probe zu erzeugen und wiederum berührungslos zu detektieren.
Abbildung 1

Abbildung 2

Motivation

Die Motivation für diesen Ansatz einer berührungslosen Ultraschall Messmethode liegt auf der Hand:

Herkömmliche Ultraschallmessungen besitzen den Nachteil, dass die Probe in direktem Kontakt mit der Messapparatur stehen muss. Dies geschieht in der manuellen Prüfung durch das Auftragen eines Koppelmittels vor der eigentlichen Prüfung bzw. in der automatischen Prüfung durch einen Wasserstrahl oder durch ein Wasserbad. An sehr heißen Proben (glühender Stahl) oder an Proben an denen eine kontaktierende Messung durch die Prüfvorschrift nicht erlaubt ist, ermöglicht Laser Ultraschall eine schnelle Prüfung. Der zweite Vorteil, welcher sich durch die optische Anregung und Detektion ergibt ist die wesentlich gesteigerte Auflösung. Die Messfrequenz (Ultraschall-Frequenzen) reicht bei den vorhandenen Messaufbauten bis zu 500MHz.

Abbildung 3

Prinzip - Ultraschallerzeugung

Die Ultraschallsignale werden durch die Beleuchtung der Oberfläche mit einem Kurzpulslaser erzeugt. Je nach Bestrahlungsstärke im Beleuchtungspunkt kommt es zu einer ablativen oder thermoelastischen Anregung. Die Art der Anregung bestimmt die Ausbreitungsrichtung und Energie der erzeugten Ultraschallwelle (vergl. [2, 3, 4]). Es ist wichtig festzuhalten, dass das Material selbst der Ultraschallerzeuger ist und somit ist die Ausbreitungsrichtung der Wellen unabhängig vom Auftreffwinkel des Anregungslasers. Das bedeutet, dass auch an schwer erreichbaren Stellen, welche nur unter einem sehr flachen Winkel mit dem Anregungslaser beleuchtet werden können, die Ultraschallwellen senkrecht zur Oberfläche ins Material einlaufen.

Abbildung 4

Ultraschalldetektion

Die Detektion der erzeugten Ultraschallsignale erfolgt durch die Beleuchtung des Detektionspunktes mit einem cw-Laser. Die Ultraschallsignale erzeugen an der Oberfläche eine geringe Auslenkung im Bereich um 10nm und einer Geschwindigkeit von einigen Metern pro Sekunde.

Diese Auslenkung führt zu einer Wellenlängenverschiebung (Dopplereffekt), welche mittels eines Interferometers (vgl. [2, 5, 6, 7]) oder photorefraktiven Kristalls in eine Amplitudenänderung demoduliert und damit mit Hilfe einer HF-Photodiode detektiert werden kann.

Der große Vorteil des gesamten Systems liegt einerseits in der Berührungslosigkeit der Anregung und Detektion und andererseits in der hohen Bandbreite der detektierbaren Frequenzen. Der zeitlich sehr kurze Anregungsimpuls (ähnlich einem Dirac Impuls) durch den ns-Laser bedingt eine sehr hohe Bandbreite des erzeugten Ultraschallsignals. Die auftretenden Frequenzen reichen bei einem ns-Laser bis in den GHz-Bereich. Konventionelle Ultraschallsysteme erzeugen, durch den in Resonanz betriebenen Piezokristall nur eine Ultraschallwelle mit einer bestimmten Frequenz. Die Höhe der Frequenz ist weiters durch die Kapazität und Bauform des Piezokristalls beschränkt und reicht bis 40MHz. Die Detektion der Ultraschallwelle mittels eines cw-Laser Systems ist nur durch die Bandbreite des Photodetektors beschränkt und kann im sichtbaren Bereich mit Si-Photodioden eine Grenzfrequenz bis in den GHz Bereich erreichen.

Abbildung 5

Messung in Puls-Echo Aufbau

Die Messung der Schichtdicke mit Bulkwellen erfolgt über die Erzeugung von Ultraschallwellen, welche in z–Richtung (ins Material) laufen. Durch diese Anregung breitet sich eine Longitudinal-Welle in z-Richtung aus und erzeugt auf der gegenüberliegenden Oberfläche eine Oberflächenbewegung. Die Welle wird an der Grenzschicht Material-Umgebung reflektiert und läuft wieder zurück zur angeregten Oberfläche.

Abbildung 6: Messung an einer 150um dicken Blechscheibe Abbildung 7: Messung an einer 4mm dicken Aluminiumprobe

Auflösung

Die maximale Auflösung ist beschränkt durch die Reinheit und Dicke der Probe, ist jedoch durch die wesentlich erhöhte Ultraschallbandbreite (bis zu 500MHz) um ein vielfaches besser als konventionelle Ultraschallmethoden mit Piezotransducern.

Abbildung 8

Messung mit Oberflächenwellen

Der Flaschenhals bei der Detektion von Ultraschallwellen mit hohen Frequenzen ist tatsächlich die Probe selbst. Sollen kleinste Filmstärken oder Fehler im µm-Bereich detektiert werden, so sind hochfrequente Ultraschallsignale nötig.
Eine Methode kleinste Strukturen zu charakterisieren stellt die Detektion mit Hilfe von Oberflächenwellen dar. In sehr dünnen Schichtsystemen, auf einem im Vergleich dicken Trägermaterialwerden, werden nur Wellen mit einer Wellenlänge im Bereich der Dicke der dünnen Schicht transportiert. Die Ultraschallwelle in der dünnen Schicht und dem Trägermaterial interagieren und bilden eine Dispersionskurve aus.

Durch die Auswertung dieser Dispersionskurve kann auf die Dicke der dünnen Schicht zurückgeschlossen werden. Neben der Dicke sind auch das E-Modul und die Poisson-Ratio messbar. Mit Hilfe dieser Methode sind Schichten charakterisierbar bis in den nano Meter Bereich.

Abbildung 9

Bestimmung der Anisotropie

Liegt ein anisotropes Material vor so kann mit Hilfe der Oberflächenwellen-Messungen die Anisotropie ausgewertet werden. Die Messungen werden in unterschiedlichen Winkeln durchgeführt. Die sich ergebenden Kurven geben Aufschluss über die Hauptachsenrichtung, und Streckung/ Stauchung.
Anwendungen sind dabei die:
Qualitätskontrolle von Composites durch die berührungslose Bestimmung der Faserorientierung im Material.
Einsatzmöglichkeit für Firmen, die Composites mit Epoxy- oder Metall-Matrix herstellen, aber auch in der Produktion von Tiefziehblechen aus Stahl oder Aluminium.

Vermessung einer CFK-Platte mittels Laser-Ultraschall

weiterführende literatur

  1. T. Dehoux, K. Ishikawa, P. H. Otsuka, M. Tomoda, O. Matsuda, M. Fujiwara, S. Takeuchi, I. A. Veres, V. E. Gusev, and O. B. Wright:
    Tracking picosecond coherent phonon pulse focusing inside a sub-micron object,
    (Submitted to Nat. Sci. Rep.)

  2. C. Grunsteidl, T. W. Murray T. Berer and I. A. Veres:
    Inverse characterization of plates using zero group velocity Lamb modes,
    (Submitted to Ultrasonics)

  3. C. Grunsteidl, T. W. Murray and I. A. Veres:
    Experimental and numerical study of the excitability of ZGV-Lamb waves by laser-ultrasound,
    J. Acoust.Soc. Am. 138(1), 242-250(2015)

Internationales LUS-Symposium

Im Juli 2016 war die RECENDT Gastgeber des 5. internationalen Symposiums "Laser-Ultrasonics and Advanced Sensing" (kurz LU2016). Bei der 5-tägigen Konferenz wurden neue Entwicklungen im Bereich der Laser-Ultraschall Technologie präsentiert.
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Anwendungsbeispiele

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe

Delaminationen in CFK-Materialien stellen ein großes Problem dar, da diese Fehler oft von außen nicht wahrnehmbar sind. Mit Laserultraschall steht uns ein Werkzeug zur Verfügung, derartige Problemstellungen zerstörungsfrei zu lösen!

Faserrichtungen in Composite-Werkstoffen

Möchten Sie gerne mehr über das Innenleben Ihrer faserverstärkten Kunststoffen erfahren? Sind die Anisotropien Ihrer Bauteile von Interesse oder müssen Sie die Ausrichtung der Fasern im Inneren eines CFRP-Spritzgießbauteils bestimmen?
Wir können mittels Terahertz-Technologie (THz) oder OCT-Messtechnik oder auch mittels Laserultraschall dabei helfen!

Online-Qualitätssicherung beim Schweissen

Bei allen Schweißprozessen können wir für Sie mittels unserer patentierten Laserultraschall-Technologie die Schweißnahtprüfung inline realisieren. Durch die Integration und die Berührungslosigkeit (ermöglicht das hochauflösende Messen auf der heißen Naht) ist die Schweißnaht bereits wenige Sekunden nach der Schweißung fertig geprüft!

Punktschweissverbindungen

Mittels Laserultraschall können Schweißverbindungen (z.B. auch Punktschweißungen) im Prozess geprüft werden.

Giessereiprozess - Gussbarren

Im Gießereiprozess können Sie massiv Zeit, Geld und Energie sparen, wenn Sie eine eventuelle Rissbildung bereits während des Gießprozesses erkennen.
Unsere patentierte Laserultraschall-Technologie kann das leisten. Grundsätzlich können bei Gussbarren (Rund- und Flachbarren) Warmrisse, Oberflächenrisse und Kernrisse sicher detektiert werden.

Siegel- oder Klebeprozesse

Betreiben Sie einen Siegelprozess, z.B. für Lebensmittelverpackungen? - wir können (je nach eingesetztem Material) mit Laserultraschall oder mit OCT-Technologie die Siegelnähte inline im Prozess prüfen und vermessen. Ähnliche Prüfmöglichkeiten bieten wir für alle Klebeprozesse an, z.B. bei Hot Melt Adhesives für Verpackungen.

Bleche & Rohre

Auch zur Materialcharakterisierung von z.B. Blechen kann die Laserultraschall-Technologie gut eingesetzt werden. Ein großer Vorteil ist dabei, dass das Material nur einseitig zugänglich sein muss und derartige Messungen zum Teil auch im Fertigungsprozess erfolgen können. Somit ist mittels LUS auch eine Wanddickenmessung von Rohren online im Prozess möglich.

Unterschiedliche Materialien (Stahl, Aluminium, Messing, Kupfer) - unterschiedlichste Fragestellungen (Blechdicke, elastische Eigenschaften, Anisotropien): Die LUS-Technologie gepaart mit innovativer Datenauswertung ist höchst flexibel einsetzbar.

Lötverbindungen

Laserultraschall-Technologie kann auch für die Prüfung von Haft- und Verbindungsschichten, z.B. für Lötverbindungen bestens eingesetzt werden.
Durch die Beeinflussung der hochfrequenten Ultraschallwellen an den Grenzflächen kann ein exaktes Abbild dieser kritischen Zone aus dem Inneren der Bauteile generiert werden.

3D-Druck / Generative Fertigung / additive Fertigung

Die rasanten Entwicklungen der letzten Jahre auf dem Gebiet des 3D-Drucks von Kunststoffen und Metallen und die damit verbundene Qualitätsverbesserung, erlauben immer mehr Anwendungen, auch in der Serienproduktion von kritischen Komponenten. Die OCT-Messtechnik (für Kunststoffe) oder die Laserultraschall Technologie (LUS, für Metalle) bietet dabei die Möglichkeit, die Qualität des Drucks auch inline während des Druckprozesses zu monitoren und gegebenenfalls korrigierend in den Prozess eingreifen zu können.

Analytik für Papier & Papierindustrie

Papier ist ein extrem vielfältiges Material – und ebenso vielfältig sind die analytischen Fragestellungen und Charakterisierungs-Wünsche die für die Papiererzeugung und -verarbeitung sowie die Anwender relevant sind! Wir können in vielen Fällen unterstützen: z.B. bei chemischer Analytik (auch direkt inline im Produktionsprozess) oder bei der Charakterisierung von Oberflächen und Fasern, des Saugverhaltens und der Anisotropie… Unsere Methoden (IR&Raman-Spektroskopie, THz-Spektroskopie, OCT, Ultraschall) sind beinahe so universell einsetzbar wie der Werkstoff!