Ultraschall

Simulation und Modellierung

Zur Optimierung von Ultraschall-Prüfsystemen sowie zur Entwicklung neuer Messansätze sind Simulationstechniken heutzutage essenziell. Sie erlauben es, die physikalische Plausibilität des Verfahrens zu prüfen sowie die bestmöglichen Mess- und Prüfkopfparameter zu ermitteln, noch bevor der erste Messaufbau tatsächlich realisiert wird. Dies spart Zeit und Geld bei der Entwicklung und führt zu Prüfsystemen mit deutlich verbesserten Leistungsparametern.

Eine Simulationsgestützte Modellierung wird am Fraunhofer IKTS sowohl mit kommerziellen als auch mit eigenentwickelten, speziell für den Ultraschallbereich konzipierten numerischen Verfahren durchgeführt. Die Eigenentwicklungen basieren auf der Elastodynamischen Finiten Integrationstechnik (EFIT) und erlauben eine vollständige wellenphysikalische Simulation von Prüfsystemen unter expliziter Berücksichtigung von Beugung, Interferenzen, Modenumwandlungen und Mehrfachstreuungen. Es können sowohl isotrope und anisotrope als auch homogene und heterogene Materialien modelliert werden. Auch gekoppelte Modelle aus Festkörpern und fluiden Medien lassen sich realisieren. Die Simulationsergebnisse werden in Form von Zeitsignalen, B- und C-Bildern, Sektorbildern, Wellenfrontschnappschüssen oder Videoanimationen zur Verfügung gestellt.

© Fraunhofer IKTS
Schallfeld eines Ultraschall-Winkelprüfkopfs.
© Fraunhofer IKTS
Fokussiertes Schallfeld eines Ultraschall-Phased-Array-Prüfkopfs.
© Fraunhofer IKTS
Elastische Wellen in einem Stahlbetonkörper nach mechanischem Impakt.

Einsatzmöglichkeiten

Die Einsatzmöglichkeiten simulationsgestützter Verfahren sind sehr vielfältig. Das Fraunhofer IKTS nutzt simulationsgestützte Werkzeuge seit vielen Jahren erfolgreich in zahlreichen Ultraschall- und Akustikprojekten aus Industrie und Forschung:

  • Simulationsgestützte Optimierung von Prüfkopfwellenfeldern inklusive Phased-Array
  • Optimierung von Prüfaufbauten und Sensorkonfigurationen
  • Ermittlung modellgestützter POD-Kurven (Probability of Detection) für die Ultraschallprüfung
  • Untersuchung geführter Wellen für die Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring)
  • Anwendungen auf Basis von Oberflächenwellen sowie Laser- und Luft-Ultraschall
  • Akustische Problemstellungen (Raumakustik, Schallemission, Lärmschutz etc.)

Leistungsmerkmale

  • Eigenentwickelte numerische Ultraschall-Solver
  • Wellenphysikalische Simulation
  • Berücksichtigung von Beugung, Interferenz, Modenumwandlung, Mehrfachstreuung etc.
  • Isotrope und anisotrope, homogene und heterogene Materialien
  • Festkörper und fluide Medien
  • 2D- und 3D-Modelle
  • Zeitsignale, Wellenfrontschnappschüsse, Videoanimationen
Im Laufe der vergangenen 20 Jahre ist neben einem umfassenden Modellierungs-Know-how auch eine umfangreiche und flexible Modulbibliothek für verschiedenste Anwendungen in Forschung und Entwicklung entstanden. Für die Bearbeitung neuer Projekte wird das jeweils am besten passende, bereits vorhandene Simulationsmodul ausgewählt. Unter Berücksichtigung der jeweiligen Aufgabenstellung wird das Modul anschließend angepasst, optimiert und weiterentwickelt. Der Entwicklungsaufwand einzelner Module sowie die damit verbundenen Entwicklungskosten halten sich daher in Grenzen und erste Ergebnisse stehen sehr schnell zur Verfügung. Dass die Simulationen realistisch und anwendungsbezogen sind, wird durch die enge Kooperation mit den experimentell arbeitenden Arbeitsgruppen am Fraunhofer IKTS sichergestellt. So werden die Modelle regelmäßig durch Wellenfeldmessungen auf Basis von Immersionstechniken oder Laservibrometrie validiert und optimiert.
Leistungsangebot
  • Grundlagenuntersuchungen (speziell für neue Prüfansätze)
  • Machbarkeitsstudien
  • Versuchsplanung und -begleitung
  • Ergebnisinterpretation (bei unklaren Messergebnissen)
  • Systemoptimierung (einschließlich Prüfköpfe und Sensoren)
  • Visualisierung und Bildgebung
  • Demonstration und Schulung (u. a. didaktische Einführung in die Ultraschallphysik und -ZfP mittels Wellenfrontbildern und Animationen)
  • Simulationsdienstleistungen (Simulationsergebnisse und deren Interpretation auf Basis der vom Kunden spezifizierten Aufgabenstellung)
  • Entwicklung anwendungsspezifischer Simulationstools für Kunden, die eigene Simulationen durchführen möchten
  • Ergänzung durch und Kopplung mit kommerzielle(n) Solver(n) (z. B. CIVA, ANSYS, Comsol etc.)
Mission
Das Fraunhofer IKTS ist als Ideengeber und Innovationstreiber strategisch daran interessiert, die Simulationswerkzeuge permanent weiterzuentwickeln. Für die Realisierung dieser Vorhaben werden Partnerschaften mit anderen Forschungseinrichtungen und Unternehmen im Rahmen von öffentlich geförderten nationalen und internationalen Projekten angestrebt.