Laser-Ultraschall - LUS

Laser-Ultraschall - LUS

Prinzip

Laser-Ultraschall ist eine Methode zur zerstörungsfreien Materialprüfung ähnlich zu konventionellen Ultraschallsystemen, jedoch mit wesentlichen Vorteilen für bestimmte Anwendungsfälle. Sowohl die Erzeugung als auch die Detektion von Ultraschall erfolgen laserbasiert und somit völlig berührungslos, wodurch folgende Vorteile erzielt werden:

Kein Koppelmittel nötig
Automatisierung möglich
Abstand zum Objekt
Raue Industrieumgebung
Schwierige Messpositionen
Hohe Bandbreite

Meist werden verschiedenartige Ultraschallwellen durch kurze Laserpulse im ns-Bereich direkt am Objekt (Sample) erzeugt, die sich danach im Volumen ausbreiten. Die an Strukturen und Fehlstellen reflektierten und gestreuten Wellen können an unterschiedlichen Stellen der Objektoberfläche mit einem Laser-Vibrometer detektiert werden.

Durch scannendes Verfahren der Laser-/Anregungspositionen und entsprechende Rekonstruktionsalgorithmen können aus den Rohmessdaten Schnittbilder des Objekts erzeugt und elastische Eigenschaften bestimmt werden. Durch die Breitbandigkeit des angeregten Ultraschalls (aufgrund der kurzen Laserpulse) sind, abhängig vom Material, sehr hohe axiale Auflösungen möglich. Während für Untersuchungen im Objekt die sogenannten „bulk waves“ ausgewertet werden, stehen für Oberflächenanalysen die gleichzeitig erzeugten Oberflächenwellen (surface acoustic waves) zur Verfügung.

Empfohlen werden als weiterführende Literatur über Laser-Ultraschall: Scruby, C. & Drain, L., 1990. Laser Ultrasonics. Bristol: Adam Hilger und unsere Publikationen.

Typische Anwendungen

Grundsätzlich ist Laser-Ultraschall häufig bei Problemstellungen in Betracht zu ziehen, bei denen herkömmlicher Ultraschall nicht geeignet ist, weil die oben genannten Vorteile benötigt werden.

Detektion von inneren Fehlern in heißen/kalten/gefährlichen/empfindlichen Objekten
Mikrostrukturanalysen von Metallen während thermomechanischer Zyklen
Bestimmung der Einhärtetiefe
Delaminationen bei Faserverbund- (z.B. CFK, GFK) und Hybridmaterialien (z.B. CFK-Metall, GFK-Metall, Metall-Gummi)
Bestimmung der elastischen/physikalischen Eigenschaften

Laborausstattung

    • Detektionssysteme / Vibrometer
      2x Tecnar: TWM / PDL für Labor- und Industrieeinsatz
      BossaNova: Tempo
      Eigenentwicklungen auf Basis TWM, Confocal Fabry Perot, Sagnac
      Xarion: Eta250 Ultra (Breitbandmikrofon)
    • Ultraschall-Anregungslaser (q-switched ns- und ps- Laser)
      Quantel: Q-smart 850, Brilliant B, Ultra
      InnoLas: SpitLight Hybrid
      CryLas: ps-Laser
      Bright Solutions: Wedge
    • DAQ-Systeme
      Oszilloskope: Rohde & Schwarz, LeCroy
      Datenaufnahmekarten: GaGe 14- und 16-bit
    • Labor / Infrastruktur
      Laborfläche: 64m2
      7 optische Tische für Versuchsaufbauten
      Linseis Abschreck- und Umformdilatometer mit LUS-System

Vermessung einer CFK-Platte mittels Laser-Ultraschall

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

Metallverarbeitung

Da Laser-Ultraschall (LUS) aus einer sicheren Distanz betrieben werden kann, ist diese Technologie in sehr frühen Prozessschritten der Metallverarbeitung, also auch bei sehr hohen Temperaturen, einsetzbar. Dabei können beispielsweise Blechdicken und Wandstärken von Rohren noch im glühenden Zustand vermessen werden (auch bei nur einseitiger Zugänglichkeit). Auch Änderungen der Mikrostruktur (z.B. Kornwachstum), die im Walzprozess interessant sind, können mit LUS charakterisiert werden.

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

Gießereiprozess

Es kann beim Gießen von Metallen interessant sein, einerseits die Schmelztiefe zu überwachen, aber auch Heißrisse (aka Warmrisse, Erstarrungsrisse) im frisch gegossenen und noch heißen Gussbaren zu finden. Beides ist mit Laser-Ultraschall möglich und wurde von uns schon untersucht. In der Abbildung ist eine Rekonstruktion und das entsprechende Foto des Schnittes durch einen Rundbarren aus Aluminium zu sehen, der einen ausgeprägten Kernriss hat.  

Einhärtetiefe in Stahl

Die Bestimmung der Einhärtetiefe in Stahl von thermisch (z.B. induktiv) behandelten Bauteilen ist für die Qualitätskontrolle wesentlich. State-of-the-Art ist es, an den aufgeschnittenen Proben Ätzungen bzw. Härtemessungen durchzuführen. Laser-Ultraschall bietet hier eine zerstörungsfreie Alternative. Damit können Zonen verschiedener Mikrostrukturen an beliebigen Positionen dargestellt werden bis hin zur Tomographie der Einhärtetiefe.

Mikrostruktur von Metallen in-situ

Durch die Möglichkeit glühende Proben zu untersuchen, können mit Laser-Ultraschall auch metallurgisch Interessante Informationen während thermomechanischer Zyklen von neuen Stählen gewonnen werden. Dazu werden die Proben in unserem modifizierten Abschreck- und Umformdilatometer der Firma Linseis Messgeräte induktiv erhitzt und bei Bedarf umgeformt, wobei mittels LUS in-situ die Schallgeschwindigkeit und akustische Dämpfung gemessen werden. Aus diesen Parametern ist es bei entsprechender Kalibrierung möglich, auf das Kornwachstum, Phasenumwandlungen und Texturänderungen zu schließen.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe – CFK

Im hauptsächlich manuellen Produktionsprozess von CFK-Komponenten stellen Delaminationen, Einschlüsse und innere Risse ein kritisches Problem für die Festigkeit dar. Durch die Schwarzfärbung des Materials sind diese Fehler von außen nicht sichtbar. Mit Laser-Ultraschall können die Bauteile zerstörungsfrei gescannt und so Fehlstellen detektiert werden.

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!

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.

Haft- und 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, Keramik) und die Laser-Ultraschall-Technologie (für Metalle, harte Polymere) bieten dabei die Möglichkeit, bestimmte Fehlstellen des Drucks offline oder sogar inline zu detektieren und somit den Prozess zu überwachen, damit gegebenenfalls sofort korrigierend eingegriffen werden kann.

Inline-Qualitätssicherung beim Schweissen

Die zerstörungsfreie Prüfung von Schweißnähten ist mit Laser-Ultraschall möglich. Dank der Automatisierbarkeit können auch inline bereits Messungen mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden. Mit Wiederholraten, abhängig von der geforderten Auflösung, von 10Hz, 100Hz oder sogar höher können Fehlstellen, Einschlüsse, Heißrisse und hohe Porenkonzentrationen gefunden werden. 

Punktschweissverbindungen

Mittels Laser-Ultraschall können auch Schweißpunkte in kurzer Zeit gescannt und Zonen mit tatsächlicher Materialverbindung (Schweißlinse) bildlich dargestellt und beurteilt werden.

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 für 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, Laser-Ultraschall) sind beinahe so universell einsetzbar wie der Werkstoff!