Ein Workshop des Fachausschusses Ultraschall der DEGA e.V.
Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT) zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit im Empfang und eine hohe Bandbreite aus. Ihre natürliche Anpassung an Gase und Flüssigkeiten, in Abhängigkeit von ihrer mechanischen Struktur, erlaubt vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen, wie der medizinischen Diagnostik und der zerstörungsfreien Prüfung. Die Vorteile, wie geringe Fertigungskosten und eine bleifreie Konstruktion, machen sie zu einer nachhaltigen Alternative zu piezoelektrischen Ultraschallwandlern.
Die vom Fraunhofer IPMS entwickelten wassergekoppelten CMUTs sind für Resonanz-frequenzen zwischen 1 und 30 MHz optimiert. Die Anwendung als Hydrofon erfordert allerdings auch weit außerhalb der Resonanz eine ausreichende Empfangsempfindlichkeit.
Um auch diesen Bereich abdecken zu können, haben wir zum einen die Bandbreite der erforderlichen Vorverstärkerelektronik erweitert und zum anderen das Empfangsverhalten unserer CMUTs außerhalb der Resonanzfrequenz charakterisiert.
Zur Charakterisierung wird ein handelsüblicher piezoelektrischer Ultraschallwandler eingesetzt, der die Erzeugung sehr kurzer Schallimpulse in Wasser ermöglicht. Damit können wir zeigen, dass unsere breitbandigen CMUTs – in Verbindung mit einem Ultraschallsender, wie einem piezoelektrischen Wandler oder einer photoakustischen Quelle – als hochempfindliche Hydrofone in einem weiten Frequenzbereich von 500 kHz bis 40 MHz eingesetzt werden können. Somit stellen unsere wassergekoppelten CMUTs eine kostengünstige Alternative zu anderen Hydrofonen dar, die im gleichen Frequenzbereich arbeiten.
Piezoelektrische Keramikmaterialien werden seit rund 75 Jahren entwickelt und zur Erzeugung und Aufnahme von Ultraschall eingesetzt. Schon früh erwies sich das System aus Bleizirkonat-Titanat (PZT) als besonders leistungsfähig hinsichtlich elektromechanischer Kopplung, Anwendungstemperaturbereich, Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Anforderungsprofile und Robustheit in der Herstellung. Sein hoher Bleigehalt wird jedoch zunehmend kritisch gesehen. Die Verwendung von PZT in elektrischen und elektronischen Geräten unterliegt daher der Europäischen Richtlinie 2011/65/EU (RoHS) und deren Aktualisierungen.
Bleifreie Alternativen zu PZT wurden schon früh untersucht und bildeten auch den Ausgangspunkt für die Entwicklung von Piezokeramiken. Erst seit den 2000er Jahren stehen sie jedoch wieder im Fokus der Forschung. In der Diskussion wird zwischen Piezokeramiken unterschieden, die mit PZT um ähnliche Anwendungen konkurrieren, und solchenmit abweichenden Eigenschaftsprofilen und Anwendungsbereichen. Zur ersten Gruppe gehören Piezokeramiken der Systeme Kalium-Natrium-Niobat (KNN), Bismut-Natrium-Titanat (BNT), Barium-Titanat (BT) und Barium-Calcium-Titanat-Zirkonat (BCZT). Die zweite Gruppe umfasst Materialien wie SiO2, AlN, AlScN und LiNbO3. Der Vortrag befasst sich ausschließlich mit der ersten Gruppe.
Die aktuellen Entwicklungen der genannten Materialien werden nachgezeichnet. Ihre Eigenschaften werden anhand charakteristischer, anwendungsbezogener Parameter und Leistungskennzahlen mit PZT verglichen. Die Bewertung stützt sich sowohl auf derzeit auf dem Markt verfügbare Materialien als auch auf die neuesten Forschungsergebnisse mit Fokus auf Anwendungen in der Ultraschalltechnik.
Während die Eigenschaften einiger im Labor durch Dotierung und Mikrostrukturoptimierung erzielter Materialsysteme bereits nahe an denen von PZT heranreichen und diese in mancher Hinsicht sogar übertreffen, weisen handelsübliche bleifreie Piezokeramiken auf Basis von KNN, BNT-BT und BT laut ihren Datenblättern noch schwächere Eigenschaften als PZT auf. Beispiele zeigen jedoch, dass dies möglicherweise nur einen geringen Einfluss auf die Systemleistung hat.
Dennoch bleiben viele Fragen offen, wie beispielsweise die Abhängigkeit der piezoelektrischen Eigenschaften bleifreier Piezokeramiken von der Temperatur, anderen physikalischen oder chemischen Umgebungsbedingungen, zyklischen Belastungen usw.
Abschließend wird ein Ausblick auf mögliche zukünftige Entwicklungen gegeben, sowohl hinsichtlich der Eigenschaften als auch der Verfügbarkeit und der gesetzlichen Vorschriften.
Für die Sekundärkalibrierung von Schallstrahlungskraftwaagen direkt beim Anwender wird ein Transfernormal benötigt, das z.B. bei nationalen Metrologieinstituten mit entsprechendem Primärnormal kalibriert werden kann. Es werden unbedämpfte Ultraschallsendewandler eingesetzt, die bei einer Reihe von Resonanzfrequenzen recht hohe akustische Ausgangsleistungen bereitstellen können. In der Vergangenheit wurde als piezoelektrisches Material für diese Ultraschallwandler vorwiegend LiNbO3 verwendet. Da solche Elemente in der Herstellung teuer, zeitaufwändig und durch die global zugenommenen Herausforderungen hinsichtlich der Lieferketten in der Beschaffung schwieriger geworden sind, wurde die Eignung von stärker verbreitetem und standardmäßig eingesetztem PZT als Schwingungselement im Vergleich zu LiNbO3 untersucht.
Die Untersuchungen wurden mit eigens dafür konzipierten Ultraschallwandlerprototypen an einem Kalibriermessplatz an der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) durchgeführt, der unter anderem zur Kalibrierung von Schallstrahlungskraftwaagen verwendet wird. Die Wandlerelemente aus PZT wurden mit einer zusätzlichen robusten Anpassschicht versehen, um ein einfacheres Handling zu ermöglichen und Beschädigungen der Frontfläche zu vermeiden. Zur Charakterisierung wurden die Wandler zunächst durch Sinus-Sweeps angeregt, um die Resonanzfrequenzen zu bestimmen. Des Weiteren wurden die akustischen Ausgangsleistungen bei diversen Anregespannungen der Wandler gemessen und daraus die akustischen Strahlungsleitwerte bestimmt. Parallel zu den Charakterisierungen an der PTB finden beim Projektpartner GAMPT Untersuchungen des Leistungsverstärkermoduls statt, welches später zur elektrischen Versorgung des Schallkopfes im Transfernormalsystem verwendet werden soll.
Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die beiden Prototypen mit PZT-Elementen mit der Grundfrequenz von 1 MHz, bzw. 2 MHz in etwa den gleichen Frequenz- und Leistungsbereichen wie die entsprechenden LiNbO3 Varianten eingesetzt werden können. Die akustischen Strahlungsleitwerte sind allerdings überwiegend deutlich höher als bei den LiNbO3-Wandlern, d.h. die akustischen Ausgangsleistungen werden bei kleineren Anregespannungen erreicht, zu Lasten von höheren Stromflüssen. Diese Unterschiede rufen wiederum unterschiedliche Anforderungen an das Verstärkermodul und an das vorgesehene Modul zur integrierten Anregungsspannungsmessung hervor.
Im modernen Entwicklungsprozess, zum Beispiel im Bereich des Leistungsultraschalls oder bei der Materialprüfung mit hohen Anregungsamplituden, ist die Berücksichtigung nichtlinearer Effekte unerlässlich.
Hohe Signalamplituden führen zu Phänomenen wie Verschiebungen der Resonanzfrequenz und Auftreten höherer Harmonischer, die mit linearen Modellen nicht abzubilden sind.
Die Berücksichtigung dieser Effekte ist jedoch, insbesondere aufgrund der daraus resultierenden Komplexität in der Berechnung, aktuell nicht Stand der Technik.
Feldtheoretisch können solche Effekte in Simulation durch die Einführung eines elastischen Materialtensors dritter Stufe umgesetzt werden.
Aufgrund der aufwändigen Berechnungen der für die Lösung, zum Beispiel einer nichtlinearen Finite-Elemente-Formulierung, benötigten Residuen und der Jacobi-Matrizen stößt die Nutzung reiner Python-Bibliotheken (wie NumPy oder SciPy) an ihre Effizienzgrenzen.
Um dennoch effiziente Simulationen durchführen zu können, wird in diesem Beitrag eine Finite-Elemente Formulierung in C++ vorgestellt, welche mithilfe von pybind11 ein Python-Interface bereitgestellt.
Neben den Geschwindigkeitsvorteilen durch kompilierten Code bei der Assemblierung der Matrizen ermöglicht dieser Ansatz eine gezielte Optimierung der Speicherzugriffe auf den Materialtensor: Hierdurch lassen sich signifikante Performancegewinne vor Allem bei der Berechnung der Jacobi-Matrix erzielen.
Die ortsaufgelöste Erfassung von Schallfeldern mit klassischen Methoden - zum Beispiel mit Mikrophonen oder Hydrophonen - ist in der Regel zeitaufwändig und nicht rückwirkungsfrei. Alternativ dazu kann die Schlierentechnik eingesetzt werden um von Schallwellen hervorgerufene, lokale Dichteänderungen zu visualisieren. Dabei wird ausgenutzt, dass durch den piezooptischen Effekt der Brechungsindex des Mediums örtlich und zeitlich moduliert wird. Durch Beleuchtung mit kollimiertem Licht wird die Phase dieses Lichts ebenfalls örtlich und zeitlich moduliert. Mittels optischer Filterung kann diese Phasenänderung direkt, zum Beispiel mithilfe von Bildsensoren, erfasst und visualisiert werden.
In diesem Beitrag werden verschiedene Anwendungsfälle vorgestellt, in denen die Schlierentechnik dazu dient, Effekte der Ausbreitung von Ultraschall zu visualisieren. Beispiele sind hier etwa die Analyse von Durchflussmesssystemen sowie die gezielte Fokussierung von Ultraschall mittels eines Schallwandler-Arrays. Ansätze zur Erfassung der Vorzeicheninformation der akustischen Welle werden ebenso gezeigt, wie dreidimensionale, tomografische Rekonstruktionen des Schallfeldes. Abschließend erfolgt ein Vergleich mit interferometrischen Methoden.
Die luftgekoppelte Ultraschallprüfung ist eine zerstörungsfreie und berührungslose Möglichkeit, moderne Verbundmaterialien und Fügeverbindungen auf Ungänzen wie Lunker, Risse oder Delaminationen zu prüfen. Die häufigste und einfachste Prüfanordnung ist die Messung in Transmission. Dabei befindet sich die Probe zwischen Ultraschallsender und -empfänger, welche aufeinander ausgerichtet sind und die Probe lateral mäanderförmig abscannen. Für jeden Scanpunkt werden die transmittierten Ultraschallsignale erfasst und bezüglich der Amplitude (C-Bild) oder der Laufzeit (D-Bild) des Signalmaximums ausgewertet. Die direkte Bestimmung der Laufzeit ist hingegen nicht praktikabel, weil die Pulse zeitlich ausgedehnt sind und durch die Schallschwächung der Signalbeginn nicht verlässlich feststellbar ist.
Im Beitrag wird ein Verfahren präsentiert, welches mit Hilfe eines heuristischen Ansatzes durch Referenzmessungen an Luft die Laufzeiten phasenrichtig bestimmen kann. Bei bekannter Probendicke wird damit die Schallgeschwindigkeit der Probe bestimmbar. Da die Schallgeschwindigkeit von der Elastizität und der Dichte der Materialien abhängig ist, erschließt das Verfahren quantitative Qualitätsaussagen zum Beispiel über die Porosität von Keramiken. Trotz der durch die Methode nicht eindeutig bestimmbaren Laufzeit, wird durch den Algorithmus innerhalb einer für den Prüfzweck akzeptablen Toleranz die Probenschallgeschwindigkeit robust bestimmt. Die entstehenden Messunsicherheiten werden diskutiert. Da die Laufzeit durch die Luftstrecke dominiert wird, ist die Berücksichtigung der Lufttemperatur entscheidend für die Genauigkeit. Die Methode wird durch die Messungen in Ankopplung und im Wasserbad evaluiert.
Die für jeden Scanpunkt durchgeführte Laufzeitmessung kann genutzt werden, um die Schallgeschwindigkeit ortsaufgelöst als Mapping darzustellen. Inhomogenitäten der Probe bezüglich der mechanischen Eigenschaften werden so lokalisierbar und können durch die Höhe der Geschwindigkeit quantifiziert werden. Im Vergleich mit den herkömmlichen C- und D-Bildern zeigt sich, dass die Methodik in der Lage ist, Interferenz-Artefakte der Anzeige zu vermeiden. Prüfbeispiele technischer Keramiken illustrieren das Potential der Methode.
Der Durchfluss von Flüssigkeiten und Gasen ist in der industrielle Prozessführung, der Herstellung von flüssigen Produkten in der Lebensmittel- und Chemieindustrie sowie dem Vertrieb von z.B. fossilen Energieträgern eine zentrale Messgröße und wird selbst im privaten Haushalt für die Abrechnung des Brauchwassers benötigt. Durch die hohe Anzahl an Einsatzgebieten und den unterschiedlichsten Einsatzbedingungen wurden in den vergangenen Jahrzehnten eine Vielzahl von Durchflusssensoren, basierend auf unterschiedlichsten physikalischen Prinzipien entwickelt. Neben thermischen, Turbinen- und Coriolis-Sensoren sind vor allem Ultraschallbasierte Durchflusssensoren durch die Möglichkeit einer nicht invasiven Messung weit verbreitet. Neben der klassischen, diagonalen Durchschallung des Fluids gibt es auch Varianten basierend auf Lambwellen. Lambwellen sind geführte akustische Wellen, die unter einem bestimmten Winkel in das Fluid einstrahlen und dadurch eine Durchflussmessung, ähnlich der diagonalen Durchschallung, ermöglichen. Inhalt des Vortrags soll eine dritte Art der Ultraschallbasierten Durchflussmessung unter der Verwendung von Zylindermoden sein. Zylindermoden sind ebenfalls eine Variante von geführten akustischen Wellen, die sich entlang von zylindrischen Strukturen, wie es ein flüssigkeitsgefülltes Rohr ist, ausbreiten können. Im Vergleich zu der klassischen, diagonalen Durchschallung bzw. der Einstrahlung der Lambwellen unter einem bestimmten Winkel wird bei dieser Wellenart das gesamte Rohr inklusive Fluid zum Schwingen angeregt und es findet eine axial gerichtete Wellenausbreitung statt. Durch die Ausbreitung der Welle sowohl in der Rohrwand als auch in dem Fluid entsteht eine sensitivität gegenüber Fluidströmungen, die durch die Interaktion zwischen Fluid und Rohrwand über die Außenseite des Rohres zugänglich ist und für die Durchflussmessung verwendet werden kann. Diese Methode wird bereits für die Durchflussmessung im Milliliter- und Mikroliter-Bereich eingesetzt und wurde jetzt auf größere Rohrdurchmesser und höhere Flussraten übertragen. Neben den Grundlagen und Herausforderungen – insbesondere die hohe Anzahl an existierenden Moden –, die diese Art der Durchflussmessung mit sich bringt, geht es in diesem Vortrag verstärkt um die Berechnung des zu erwartenden Messeffektes und den Abgleich mit Experimenten. Zudem sollen die sich durch die Unterschiede zur klassischen bzw. Lambwellen-basierten Ultraschalldurchflussmessung ergebenden Vorteile – wie die reduzierte Pfadabhängigkeit sowie die Skalierbarkeit des Messeffekts – verdeutlicht werden.
Im Zuge der Energiewende soll Wasserstoff als zentraler Energieträger für die Dekarbonisierung von Industrie, Mobilität und Energieversorgung zum Einsatz kommen. Es besteht daher ein Bedarf an präziser und robuster Messtechnik für Transport, Speicherung und Abrechnung. Die Ultraschall-Durchflussmessung ist eine bewährte Technologie zur hochgenauen Erfassung von Gas- und Flüssigkeitsströmen auch unter rauen Prozessbedingungen. Die industrielle Anwendung erfordert eine zielgerichtete Weiterentwicklung dieses akustischen Messverfahrens, um den spezifischen Eigenschaften von Wasserstoff (geringe Dichte, hohe Schallgeschwindigkeit, hohe Diffusionsfähigkeit) gerecht zu werden. Der Beitrag geht sowohl auf die akustischen bzw. messtechnischen Herausforderungen als auch auf Anwendungsaspekte ein. Die ultraschallbasierte Messung liefert neben der Durchflussmenge zusätzliche Informationen, die sowohl zur Detektion von Verunreinigungen als auch zur Bestimmung der Gaszusammensetzung ausgewertet werden können.
Der Beitrag präsentiert weiterführende Ergebnisse eines Vorlaufforschungsprojekts zur Anwendung der Akustophorese für die Trennung von Kunststoffpartikeln. Im Zentrum der Studie stehen die Potenziale, Grenzen und relevanten Randbedingungen bei der Realisierung eines akustischen Filters zur Abscheidung von Feststoffpartikeln aus Flüssigkeiten unter industriell relevanten Strömungsbedingungen. Hierzu werden sowohl die theoretischen Grundlagen als auch Ergebnisse aus Simulationsstudien und experimentellen Untersuchungen am Beispiel von Sandpartikeln systematisch dargestellt.
Magnetomotive Ultrasound (MMUS) kombiniert Ultraschall mit Magnetfeldern, um gezielt kleine Verschiebungen in biologischem Gewebe zu induzieren und abzubilden. Hierzu werden magnetische Nanopartikel (MNP) in das Gewebe eingebracht, die auf ein externes Magnetfeld reagieren und minimale Gewebeverschiebungen erzeugen. Diese Gewebeverschiebungen können mittels Ultraschall erfasst und somit die MNP-Verteilung visualisiert werden.
In einem extern angelegten, zeitlich modulierten Magnetfeld erfahren die MNP eine variierende Kraft, die durch den Gradienten des Magnetfeldes bestimmt wird. Dies führt zu mikroskopischen, zeitabhängigen Verschiebungen der Partikel, die wiederum Verschiebungen im umgebenden viskoelastischen Gewebe verursachen. Diese Gewebeverschiebungen werden typischerweise im Mikrometerbereich erfasst, beispielsweise mittels Phasenverschiebungs- oder Speckle-Tracking-Verfahren. Die axiale Auflösung ist durch die Ultraschallwellenlänge begrenzt, während die Nachweisgrenze maßgeblich vom Signal-Rausch-Verhältnis sowie von Störeinflüssen, etwa durch Atmung oder Herzschlag, beeinflusst wird. Durch modulierte magnetische Anregungen und geeignete Signalverarbeitung kann die induzierte Gewebeverschiebung jedoch von solchen Störeinflüssen entkoppelt werden.
Bei der Auslegung eines MMUS-Systems müssen Magnetfeldstärke, Anregungsfrequenz und Ultraschallparameter sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Zwar erhöhen höhere Magnetfeldgradienten die mechanische Verschiebung, sie unterliegen jedoch technischen und sicherheitsrelevanten Einschränkungen. Gleichzeitig beeinflusst die Wahl der Ultraschallfrequenz sowohl die Eindringtiefe in das Gewebe als auch die Sensitivität der Bildgebung. Der Fokus aktueller Forschungsarbeiten liegt auf der Charakterisierung mechanischer Gewebeparameter, der Modellierung und Simulation der gekoppelten magneto-mechanisch-akustischen Dynamik sowie der Optimierung der magnetischen Anregung.
MMUS ist somit ein interdisziplinäres Forschungsfeld an der Schnittstelle von Magnetismus, Kontinuumsmechanik und Ultraschallphysik mit vielversprechenden Anwendungen, unter anderem in der lokalen Tumordiagnostik und -therapie. Der Vortrag gibt einen Überblick über die Möglichkeiten und Grenzen dieser Bildgebung. Dabei werden insbesondere die Herausforderungen und Lösungsansätze im Hinblick auf die Ultraschallbildgebung und Signalverarbeitung behandelt.
Künstliche Intelligenz (KI) wird zunehmend auch in kommerziellen Ultraschallgeräten eingesetzt, um die Analyse von Ultraschallmessungen zu automatisieren, z.B. zur Segmentierung klinisch relevanter Regions of Interests. In dieser Arbeit untersuchen wir die Stärken und Schwächen von Deep Learning (DL) Technologien für den klinischen Einsatz anhand der Ultraschallbildsegmentierung des vastus lateralis (VL) Muskels. Veränderungen in der Größe und Qualität des VL können als wichtige Biomarker für die Rehabilitationsüberwachung bspw. nach einer vorderen Kreuzbandrekonstruktion fungieren.
Dynamische Ultraschallbilder des VL ($n=390$) wurden von $36$ asymptomatischen Probanden unter verschiedenen Belastungsbedingungen mit einem Telemed ArtUS-Scanner aufgenommen. Es wurden U-Net Segmentierungsmodelle entwickelt, trainiert und auf $260$ Bildern validiert. Um klinische Variabilität zu simulieren, wurden die Modelle zusätzlich an $130$ Bildern getestet, die mit demselben Gerät, aber mit unterschiedlicher Handhabung und Einstellungen aufgenommen wurden. Es wurde ein binäres Standard-U-Net (VL/Hintergrund) mit einem Mehrklassenmodell (subkutanes Fett/VL/Hintergrund) verglichen, welches zusätzlich mit Hilfe sogenannter monogenic phase asymmetry maps anatomische Strukturen priorisieren kann.
Während alle Modelle auf dem Testdatensatz mit den selben Hardwareeinstellungen wie der Trainingsdatensatz sehr hohe Dice-Ähnlichkeitskoeffizienten aufweisen (durchschnittlicher $\mathrm{DSC} > 0.92$), sinkt die Genauigkeit bei Bildern mit unterschiedlicher Handhabung und Geräteeinstellung erheblich, was die Bedienervariabilität hervorhebt. Das Mehrklassen-Segmentierungsmodell mit anatomischen Priors verbesserte die Generalisierbarkeit und erreichte einen durchschnittlichen $\mathrm{DSC}$ von $0.87\pm0.09$ im Vergleich zum einfachen binären Modell mit $\mathrm{DSC}=0.82\pm0.13$.
DL-basierte Ultraschall-Bildsegementierungsmodelle können eine leistungstarke, automatisierte Bestimmung von Gewebeparametern wie die Muskelgröße und -qualität bieten, die Vorhersagezuverlässigkeit ist jedoch stark von der eingesetzten Hardware und deren Handhabung abhängig. Wir zeigen, dass eine robustere Generalisierung auf unterschiedliche Handhabungen der Ultraschallhardware durch eine umfassendere anatomische Modellierung erreicht werden kann.
PI Ceramic ist seit mehr als 30 Jahren ein innovativer Anbieter hochwertiger piezokeramischer Komponenten und Baugruppen für industrielle Sensor- und Aktoranwendungen, Druck- und Dosiertechnik, Medizintechnik, militärische Anwendungen sowie Anwendungen in der Öl- und Gasindustrie.
PI Ceramic verfügt über ein sehr breites Technologieportfolio zur Herstellung von Komponenten und Transducer-Baugruppen. Dieses reicht vom klassischen Pulverpressen über Tape-Casting und Multilayer-Technologie bis hin zu fortschrittlichen Montageprozessen in Reinräumen. Mehr als 100 anwendungserfahrene Ingenieure verstehen die Anforderungen des Marktes und bringen Pioniergeist sowie Know-how aus der Serienfertigung ein. Mit dieser Aufstellung gewinnen wir unsere Kunden als Partner für die Entwicklung und Herstellung optimaler und innovativer kundenspezifischer Komponenten, die ihnen technologische Vorteile in ihren Produkten verschaffen.
Wir präsentieren neue Komponenten und Technologien für FUS-Transducer-Anwendungen zusammen mit spezifischen Charakterisierungsergebnissen:
1. Komponenten für fokussierte Ultraschalltransducer, wie spezielle Fokusschalen und Annular Arrays
2. Spezielle piezokeramische Kompositkomponenten und Transducer-Array-Elemente
3. Ergebnisse zur elektroakustischen Simulation und Charakterisierung
Die Prüfung von Spannungszuständen als betriebsrelevante Eigenschaft von Bauteilen stellt immer noch eine Herausforderung in der Anwendung dar. Der Beitrag beleuchtet speziell die Ultraschall-Vorspannkraftbestimmung in Schrauben, die Erfassung von Eigenspannungsverläufen in Eisenbahnrädern sowie die Längsspannung im verschweißten Bahngleis. Welche Herausforderungen sich alle Anwendungen teilen und wie anwendungsspezifische Vorgehensweisen aussehen können, wird vorgestellt.
Die additive Fertigung fordert neue Wege der Qualitätssicherung, um den industriellen Serieneinsatz lückenlos abzusichern. Der Vortrag präsentiert die vielfältigen Potenziale der Ultraschalltechnologie, die im Rahmen des Teilprojekts des „AddiQ“-Konsortiums die gesamte additive Wertschöpfungskette – von der Materialvorbereitung bis zum fertigen Produkt – abdeckt.
Bereits in der Phase der Materialprüfung werden akustische Leitparameter wie Schallgeschwindigkeit, Impedanz und Dämpfung identifiziert. Während des Fertigungsprozesses ermöglicht die Kombination aus Luft- und Körperschallsensorik eine präzise In-situ-Überwachung des Druckvorgangs. Durch die Analyse akustischer Emissionen können kritische Anomalien wie Delaminationen oder verstopfte Düsen erkannt und klassifiziert werden.
Den Abschluss bildet die zerstörungsfreie Endprüfung (ZfP) des fertigen Produkts mittels wassergekoppelter Tauchtechnik oder koppelfreiem Luftultraschall. Hierbei werden interne Defekte wie Risse oder Hohlräume identifiziert, um die strukturelle Integrität und die geforderte Bauteilqualität sicherzustellen. Dieser ganzheitliche technologische Ansatz ermöglicht eine reproduzierbare Serienqualität, minimiert den Materialausschuss und sichert somit die nachhaltige Wettbewerbsfähigkeit additiver Fertigungsverfahren.
Die Verwendung strukturierter periodischer Materialien, wie sie beispielsweise in Fasergeweben, Leichtbaustrukturen oder additiv gefertigten Komponenten zum Einsatz kommen, erfordert geeignete Methoden zur zerstörungsfreien Charakterisierung ihrer inneren Struktur. Insbesondere lokale Verzerrungen, Änderungen der Einheitszellengeometrie oder Fertigungsabweichungen beeinflussen die mechanischen Eigenschaften maßgeblich, sind jedoch häufig nicht direkt zugänglich.
In diesem Beitrag wird ein Verfahren zur Analyse periodischer Strukturen mittels geführter akustischer Wellen präsentiert. Die räumliche Periodizität der inneren Struktur bedingt charakteristische Eigenschaften im Frequenz-Wellenzahl-Bereich, wie sie in vergleichbarer Form auch bei phononischen Kristallen auftreten. Die Analyse periodischer Strukturen im Frequenz-Wellenzahl-Bereich ermöglicht Rückschlüsse auf die Geometrie, Orientierung und charakteristische Abmessungen der zugrunde liegenden Struktur.
Für die experimentelle Untersuchung werden in der Probe breitbandige akustische Wellen durch gepulste infrarote Laserstrahlung thermoelastisch angeregt. Die Detektion der propagierenden Wellen erfolgt mit einem breitbandigen piezoelektrischen Schallwandler. Die zeitlich und räumlich aufgelösten Messdaten werden mittels zweidimensionaler Fourier-Transformation in den Frequenz-Wellenzahl-Bereich transformiert. Eine anschließende Autokorrelationsanalyse im Wellenzahlbereich ermöglicht die robuste Extraktion der Größe der inneren periodischen Struktur der Probe.
Im Rahmen der Untersuchung richtungsabhängiger Eigenschaften werden Messungen unter verschiedenen Orientierungen durchgeführt. Die daraus resultierende winkelabhängige Darstellung ermöglicht die Visualisierung der Geometrie der Struktur sowie von Verzerrungen und Orientierungsänderungen innerhalb der periodischen Struktur.
Die vorgestellte Methodik eignet sich insbesondere zur Charakterisierung von Fasergeweben sowie von Infill-Strukturen additiv gefertigter Bauteile. Dadurch können geometrische Eigenschaften und Fertigungsabweichungen in der periodischen Struktur zerstörungsfrei erfasst und analysiert werden.