Ultraschallsensoren und -verfahren

Gruppe

Die Arbeitsgruppe »Ultraschallsensoren und -verfahren« des Fraunhofer IKTS am Standort Dresden-Klotzsche verantwortet die methodische Planung, simulationsbasierte Optimierung und gerätetechnische Umsetzung von ultraschallbasierten Prüfverfahren. Dies geschieht überwiegend auf Grundlage der institutseigenen PCUS® pro-Plattform. Die Geräte und Software der PCUS® pro-Familie wurden und werden in den Arbeitsgruppen »Elektronik für Prüfsysteme« und »Software für Prüfsysteme« entwickelt. Bei Bedarf ergänzen hochsensitive und zuverlässige Ultraschallprüfköpfe und -sensoren für Spezialanwendungen die Plattform. Diese werden im eigenen Sensorlabor entworfen und gefertigt.

Auslegung und Optimierung

© Fraunhofer IKTS
Schallausbreitung in einem Sende/Empfangs(SE)-Prüfkopf; berechnet mit der im Fraunhofer IKTS entwickelten EFIT-Software.

Aufgrund der Komplexität neuartiger Materialien und Bauteile spielen sowohl die simulationsgestützte Planung und Optimierung der Prüfköpfe als auch die ständige Anpassung der Prüfverfahren eine immer wichtigere Rolle. Der gesamte Prüfaufbau inkl. Sensoren lässt sich vorab am PC modellieren. Dabei wird der Aufbau auf seine physikalische Plausibilität und Sensitivität geprüft.

Der Herstellungsprozess wird ökonomisch effizienter. Modellierung und Simulation helfen dabei, bei verkürzten Entwicklungszeiten Fehlplanungen zu vermeiden und die systematische Optimierung der Prüfparameter zu ermöglichen. Zu diesem Zweck entwickelt die Arbeitsgruppe »Ultraschallsensoren und -verfahren« seit vielen Jahren eigene leistungsfähige Rechenprogramme und bildgebende Auswertealgorithmen. Diese sind in einer Modulbibliothek verfügbar. Sie können effizient erweitert sowie schnell an neue Prüfanforderungen und Aufgabenstellungen angepasst werden.

Entwicklung von Spezialprüfköpfen

Sind kommerziell erhältliche Prüfköpfe für bestimmte Anwendungen nicht geeignet, können Ultraschallwandler im IKTS-eigenen Sensorlabor ausgelegt und gefertigt werden. Dazu stehen leistungsfähige Simulationstools und Geräte wie Wafersäge, d33-Meter (Piezometer) und HF-Pulser-Receiver bis 500 MHz zur Verfügung.

Beispiele für Spezialentwicklungen umfassen Hochtemperatursensoren, hochfrequente Aluminiumnitrid-Dünnschichtschwinger, gekrümmte Piezokompositprüfköpfe sowie hochsensitive Wandler auf Basis von piezoelektrischen Einkristallen, wie Blei-Magnesium-Niobat/Blei-Titanat (PMN-PT). Als Wandlertypen werden Einzelschwinger, Phased-Array-Sensoren, Schallemissionsaufnehmer sowie Sende/Empfangs-Prüfköpfe angeboten. Sie können auf spezielle Bauteilgeometrien angepasst und in Prüfzangen integriert werden.  

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Am IKTS optimierter und gefertigter Ultraschall-Phased-Array-Prüfkopf für Anwendungen an gekrümmten Bauteilen.
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Speziell konstruierte Prüfzange mit drei integrierten Phased-Array-Prüfköpfen zur Prüfung von Falznähten im Automobilbereich.
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Bildgebende Darstellung der Ultraschallprüfung an Punktschweißverbindungen (untere Reihe, farbig); ermittelt mit einem am IKTS entwickelten mobilen TFM-Phased-Array-System (TFM: Total Focusing Method). Im Vergleich dazu die Ergebnisse an den gleichen Schweißpunkten im stationären Ultraschallmikroskop als Referenz (obere Reihe, Graustufen).

Systementwicklung

Die Arbeitsgruppe »Ultraschallsensoren und -verfahren« übernimmt und koordiniert die vollständige Integration von Methoden und Algorithmen in kundenspezifische Hard- und Software. Sie ist außerdem für die gerätetechnische Umsetzung der Prüfverfahren bis hin zum Aufbau von Industrieprototypen im In- und Ausland zuständig.

Ein Schwerpunkt der Arbeiten liegt derzeit auf der Entwicklung von speziellen hochauflösenden Ultraschallscannern sowie roboterbasierten Prüfsystemen für komplex geformte Freiformbauteile verschiedener Materialklassen.

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Auf Basis der IKTS-eigenen PCUS® pro Hard- und Software-Plattform konzipierte Dual-Robot-Anlage zur Prüfung komplexer 3D-Freiformteile mit Squirter-Ankopplung.
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Detailausschnitt der Dual Robot-Anlage zur Prüfung komplexer 3D-Freiformteile mit Squirter-Ankopplung.

Leistungsangebot

 

  • Grundlagenuntersuchungen und Machbarkeitsstudien
  • Methodenentwicklung und simulationsbasierte Optimierung
  • Entwicklung von (bildgebenden) Auswertealgorithmen und anwendungsspezifischen Simulationstools
  • Entwicklung und Herstellung von Ultraschallwandlern für Spezialanwendungen
  • Herstellung anwendungsspezifischer Sensormaterialien (1-3-Komposite) auf Basis von PZT und PMN-PT
  • Fertigung von kundenspezifischen akustischen Stacks
  • Charakterisierung piezoaktiver Materialien mittels d33-Meter (Piezometer)
  • Elektrische und akustische Charakterisierung von Ultraschallprüfköpfen
  • Entwicklung und Aufbau hochauflösender Ultraschallscanner
  • Realisierung komplexer automatisierter Roboter-Prüfanlagen
  • Inline- und Offline-Prüflösungen auf Basis der hauseigenen PCUS® pro-Plattform
  • Lizensierungsmodelle für Industriekunden
  • F&E-Kooperationsprojekte mit Unternehmen und Forschungseinrichtungen.

 

Geräteausstattung

 

  • Scannendes Ultraschallmikroskop (Scanning Acoustic Microscope, SAM) für Frequenzen bis 400 MHz
  • Hochauflösender Scanner für Ultraschall- und Laser-Ultraschall-Anwendungen bis 100 MHz (Eigenbau)
  • Ultraschall-Goniometer zur Oberflächencharakterisierung (Eigenbau)
  • Laser-Doppler-Vibrometer zur Schallfeldvermessung
  • Wafersäge
  • Präzisionsflachschleifanlage
  • d33-Meter (Piezotest)
  • PCUS® pro-Ultraschall-Hardwareplattform (Single, Multi, Phased Array, HF)
  • HF-Pulser-Receiver bis 500 MHz
  • Luft-Ultraschall-Prüfanlage (Eigenbau)
  • Messplatz zum definierten Be- und Entladen wieder aufladbarer Batteriezellen sowie zur akustischen Vermessung von Batteriezellen und Extrudaten
  • Ultraschall-Spektroskopie-Messplatz zur frequenzabhängigen Charakterisierung von Flüssigkeiten und Festkörpern
  • Temperierbares Wasserbad bis 60 °C mit Scanvorrichtung

 

Industrielösungen

 

 

Projekte

 

Forschung aktuell

Ultraschall-Prüfsystem zur Rissdetektion an Pressverbindern für Fahrradleitungen

Forschung aktuell

Überwachung von Laser-Engspalt-Schweissungen dickwandiger Komponenten

Thema

Piezokompositwandler

Thema

PMN/PT-Prüfkopfherstellung

Thema

Ultraschall-Phased-Array-Prüfzange

Thema

Ultraschallspektroskopie