1. Zusammenfassung. 2. Einleitung

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1 AirTech - ein neues Ultraschallprüfsystem mit Ankopplung über Luft W. Hillger DLR Braunschweig Vortrag P11, DGZfP- Jahrestagung 1999, Celle, Berichtsband 68, Band 2, S Zusammenfassung Zur berührungslosen Ultraschallprüfung mit Ankopplung über Luft wurde das Ultraschallprüfgerät AirTech entwickelt. Es besteht aus dem Sende- und Empfangsprüfkopf sowie aus drei Karten in einem Industrie- oder portablen PC. Die Prüfköpfe (Frequenz 250 oder 450 khz) bestehen aus Composite-Schwingern (IZfP, Saarbrücken) mit einer speziellen Anpaßschicht an Luft. Im Sendeprüfkopf - befindet sich zusätzlich eine elektrische Anpassung. Zur Anregung dient ein quarzgesteuerter Burst-Sender mit 1,2 kw Pulsleistung (AT 4100). Der sehr rauscharme Vorverstärker mit umschaltbarer Verstärkung von 50 auf 70 db ist mit elektrischer Anpassung und Schmalbandfilter im Empfangsprüfkopf integriert. Die Ultraschallprüfung mit Ankopplung über Luft ermöglicht trotz der hohen Impedanzunterschiede zwischen Festkörpern und Gasen eine hohe Auflösung und eine Dynamik von mehr als 30 db. Exemplarisch wird dieses an einem CFK- Sandwich-Bauteil, einem Grünkeramik-Stufenkeil und an einem Käse demonstriert. Die am CFK-Sandwich-Bauteil mit Ankopplung über Luft erreichte Auflösung übertrifft sogar die mit Wasserankopplung. Damit steht eine preiswerte Alternative zur berührungslosen Laser-Ultraschalltechnik zur Verfügung. 2. Einleitung Es besteht der Wunsch nach einer berührungslosen Ultraschallprüftechnik, da das sonst erforderliche Koppelmittel mit vielen Nachteilen verbunden ist: es muß zeitaufwendig aufgetragen und anschließend wieder entfernt werden. Die gleichmäßige Ankopplung bei der Prüfung großer Flächen z.b. mit der Squirter- Technik gestaltet sich sehr aufwendig. Bei einigen Werkstoffen, wie beispielsweise keramischen Grünlingen, darf überhaupt kein Koppelmittel verwendet werden [1]. Die Ankopplung über Luft oder Gas bietet prinzipiell eine einfache und preiswerte Lösung im Vergleich zur Laser-Ultraschallprüftechnik, erfordert jedoch wegen der extrem unterschiedlichen akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern (1:10 4 ) spezielle Anpassungen und Weiterentwicklungen [2-6]. Diese wurden bei dem entwickelten AirTech 4000-Prüfsystem berücksichtigt. Um eine möglichst hohe Flexibilität und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis zu erreichen, wurde das System auf PC-Karten aufgebaut. Es ist damit weltweit das erste System dieser Art. 1

2 3. Prüfeinrichtung 3.1 Übersicht Bild 1 zeigt das in einen Industrie-PC eingebaute AirTech 4000-System (Abmessungen ca. 44x45x18 cm³). Neben den drei Ultraschallkarten enthält das System für Bildgebung eine Schrittmotorsteuerung, so daß ein Manipulationssystem direkt angeschlossen werden kann. AT 4410 PC AT 4100 AT 4030 AT 4420 ADC XY- Scanner MUCO Bild1: Ultraschallprüfgerät AirTech 4000 Bild 2: Blockschaltbild des AirTech 4000 Bild 2 stellt das Blockschaltbild dar. Neben den beiden Prüfköpfen (z. B. AT 4410 und AT 4420) besteht das System aus der Burst-Sender-Karte AT 4100, der Empfänger- Karte AT 4030 und dem ADC-Board Optional kann der Motor-Controller MUCO für bildgebende Prüfungen bestückt werden, der in einem CD-ROM-Schacht Platz findet. Ferner ist noch ein XY-Manipulator mit Prüfkopf- und Bauteilhalterung erforderlich. Die einzelnen Komponenten werden nun im einzelnen beschrieben. 3.2 Sende- und Empfangsprüfköpfe Wegen der schwach gedämpften Prüfkopfe und der damit verbundenen langen Impulse kann die Impuls-Echo-Technik noch nicht eingesetzt werden. Es sind getrennte Sende- und Empfangsprüfköpfe erforderlich. Beide enthalten Composite- Schwinger, die im IZfP-Saarbrücken entwickelt und gefertigt werden [4]. Composite- Material hat eine akustische Impedanz von 6 bis 10 MRayl und ist damit wesentlich kleiner als die von Piezo-Material (35 MRayl). Eine zusätzliche Anpaßschicht an Luft aus Silicon erhöht den Wirkungsgrad. Durch die Krümmung des Schwingers kann eine Fokussierung erreicht werden. Sende- und Empfangsschwinger sind baugleich. 2

3 Bild 3: Sendeprüfkopf Bild 4: Geöffneter Empfangsprüfkopf Der Sendeprüfkopf (Bild 3) enthält zusätzlich eine elektrische Anpassung, die etwa 15 db höhere Ausgangsspannung liefert. Im Empfangsprüfkopf befindet sich neben der elektrischen Anpassung noch ein sehr rauscharmer Vorverstärker mit Schmalbandfilter, der dem Frequenzgang des Prüfkopfes angepaßt ist. Bild 4 zeigt den geöffneten Prüfkopf mit eingebautem Vorverstärker. Die Verstärkung ist per Software umschaltbar von 50 auf 70 db. Das über LEMO-Stecker angeschlossene einpolige Koaxialkabel überträgt die Versorgungsspannung und die Verstärkungsinformation für den Vorverstärker, sowie das vorverstärkte Empfangssignal zum Receiver AT Bisher wurden 450 khz (AT 4410/4420)- und 250 khz (AT 4411/4421)- Prüfköpfe eingesetzt, wobei sich Wellenlängen von 0,76 und 1,36 mm in Luft ergeben. Beide Paare haben einen Fokus von 40 mm in Luft. Wie auch bei der konventionellen Ultraschallprüftechnik müssen die Prüfköpfe der Applikation angepaßt werden. Hierfür können spezielle Köpfe im Frequenzbereich von ca. 100 khz bis 1 MHz gefertigt werden. Die Anordnung der Prüfköpfe ist üblicherweise an den gegenüberliegenden Seiten des Bauteils (Transmission mit Longitudinalwellen, 1 in Bild 5). Durch Schrägstellung der Köpfe lassen sich im Bauteil Plattenwellen anregen (2 in Bild 5), die u. U. viel empfindlicher auf Fehlstellen reagieren. Bild 5 zeigt darüber hinaus auch (stark vereinfacht) die Prüfung mit einseitigem Zugang (3), wobei durch Schrägeinschallung ebenfalls Plattenwellen generiert werden [7]. 3.3 Burst-Sender AirTech 4100 Um eine möglichst hohe akustische Energie zu erhalten, wird statt der üblichen RC- Entladung ein quarzgesteuertes Sinus-Burst-Signal zur Anregung des Sendeprüfkopfes verwendet. Die Mittenfrequenz ist genau auf die Prüfkopffrequenz abgeglichen. Die Anzahl der Bursts ist einstellbar von 1 bis 15. Die eingebaute Gegentaktendstufe gibt eine maximale Pulsleistung von 1200 W an 25 Ω ab. Der kleine Innenwiderstand (<1,8 Ω) erlaubt eine Transformation im Prüfkopf auf bis zu 1400 Vss. Damit der Prüfkopf bei zu hohen Impulsfolgefrequenzen nicht durch Überlastung zerstört wird, läßt sich die mittlere Leistung auf 2-10 Watt begrenzen. 3

4 S S S E E E Bild 5: Mögliche Anordnungen der Prüfköpfe (vereinfacht), 1: Transmission; 2: Prüfung mit Lamb-Wellen, 3: wie 2, jedoch mit einseitigem Zugang Der auf einer 8-Bit-Slot-Karte aufgebaute Sender hat nur die Länge eines 16-Bit- Steckplatzes und kann daher problemlos eingebaut werden. Der Sender ist in Bild 6 dargestellt. Bild 6: Burst-Sender auf PC-Karte Bild 7: Empfangssignal (HF-A-Bild) 3.4 Receiver AT 4030 An den Eingang des Receiver-Boards AT 4030 wird der Empfangsprüfkopf angeschlossen. Das Board stellt die Versorgungsspannung für den Vorverstärker bereit, steuert die Verstärkungsumschaltung und bereitet das vorverstärkte Empfangssignal für die Digitalisierung auf. Der Verstärker auf dem Receiver-Board enthält auch einen Video-Gleichrichter mit Spitzenwerthalter (Hüllkurvendemodulator). Dieser reduziert die notwendigen Samples zur Digitalisierung erheblich, da nicht die einzelnen Schwingungen des Empfangssignals, sondern nur die Hüllkurve digitalisiert werden muß. Ein auf dem Board befindlicher Multiplexer ermöglicht die Umschaltung Video/HF-Signal auf das ADC-Board, damit z.b. eine digitale Signalauswertung oder Filterung durchgeführt werden kann. Bild 7 zeigt das etwa 60 µs lange Empfangssignal in HF-Darstellung. Im Gegensatz zur konventionellen Ultraschallprüftechnik ist die Bandbreite sehr klein und damit der Impuls sehr lang. Dies hat im wesentlichen zwei Gründe. Zum einen sind die 4

5 Prüfköpfe wenig gedämpft, damit der Wirkungsgrad möglichst hoch ist, zum anderen wird im Empfangsverstärker ein Schmalbandfilter verwendet, um das elektronische Rauschen klein zu halten. Der Mittelwert des elektronischen Rauschens ist proportional aus der Wurzel aus der Bandbreite. Erst eine kleine Bandbreite ermöglicht hohe Verstärkungen bei hohem Signal-Rauschabstand. 4. Applikationsbeispiele 4.1 Sandwich-Bauteil Bild 8 zeigt die Prüfung eines 22 mm dicken CFK-Gewebe-Sandwich-Bauteils in Durchschallung. Die verwendeten 250 khz-prüfköpfe sind auf 40 mm in Luft fokussiert. Das C-Bild (Bild 9) stellt neben der Wabenstruktur den Schlagschaden deutlich dar. Die Echodynamik längs einer Zeile durch die Fehlstelle gibt Amplitudenunterschiede verursacht durch die Waben von ca. 12 db, durch den Schlagschaden von 30 db wieder (Bild 10). Derartig hohe Auflösungen von Sandwich-Bauteilen lassen sich mit Wasserankopplung nicht erreichen, da bei gleicher Prüffrequenz die Wellenlänge in Luft um 1/5 kleiner ist als im Wasser. Daher kann das Schallfeld schmaler fokussiert werden [5]. Problematisch bei Sandwich- Bauteilen ist Wasser, das in den Waben eindringt und im späteren Betrieb gefriert. Neben der möglichen Schädigung durch das Koppelmittel stören Luftblasen im Wasser bei der sonst üblichen Durchschallung mit Squirtertechnik. Die Ankopplung über Luft vermeidet diese Nachteile und hat hier darüber hinaus den Vorteil einer höheren Auflösung. Bild 8: Prüfung eines 22 mm dicken CFK-Sandwich-Bauteils Bild 9: C-Bild des Sandwich-Bauteils aus Bild 8 Bild 10: Echodynamik 4.2 Keramischer Stufenkeil Ein weiteres Beispiel ist die Prüfung grüner Keramik (WSH Zwickau), die nicht mit Wasser in Verbindung kommen darf. Das in Bild 11 gezeigte C-Bild wurde in Durchschallung mit zwei 450-kHz-Prüfköpfen mit 40 mm Fokus in Luft aufgenommen. Es stellt einen Stufenkeil mit Dicken von 20 bis 32 mm dar. Die fünf Stufen werden durch die unterschiedliche Schallschwächung deutlich abgebildet. Innerhalb einer Stufe können ebenfalls Inhomogenitäten nachgewiesen werden. 5

6 Bild 11: C-Bild eines keramischen Stufenkeils 4.3 Prüfung von Käse Die Ultraschallprüfung mit Ankopplung über Luft bietet sich aus hygienischen Gründen auch zur Prüfung von Lebensmitteln an, so z. B. bei der Prüfung von Käse. Es sollen z. B. Risse nachgewiesen werden, damit der Käse beim Schneiden nicht zerbröckelt und dann nur noch zu einem Bruchteil des Wertes als Fonduekäse verkauft werden kann. Das C-Bild eines 30 mm dicken Käses ist in Bild 12 gezeigt. Es wurden zwei Testbohrungen mit 10 und 8 mm Durchmesser eingebracht, die deutlich aus dem C-Bild hervorgehen. Aus der zugehörigen Echodynamik (Bild 13) geht ein Amplitudenunterschied von mehr als 20 db bei den Bohrungen hervor. Bild 12: C-Bild eines 30 mm dicken Käses mit Testbohrungen (10 und 8 mm ) Bild 13: Echodynamik aus Bild Weitere Anwendungsmöglichkeiten Weitere Werkstoffe, die geprüft werden können, sind beispielsweise metallische Werkstoffe und Holz. Erste Untersuchungen an Tischlerplatten mit 17 mm Dicke 6

7 zeigen sehr gute Ergebnisse. Die Prüfung einer 12 mm dicken Stahlplatte ist ebenfalls möglich. 5. Literatur [1] H.D. Tietz, B. May, M. Dietz, L. Bühling: Ultraschallprüfung an keramischen Grünkörpern, Jahrestagung 1997, DGZfP-Berichtsband 59.2, Seite [2] A.J. Rogovsky: Development and Application of Air-Coupled Ultrasonic Dry- Contact and Air-Coupled C-Scan Systems for Nondestructive Evaluation of Aerospace Composites, Mat. Eval. 50 (12) Dec. 1991, pp [3] Grandia, W.A.; Fortunko, S.M.:NDE Appplications of Air-Coupled Ultrasonic Transducers, 1995 IEEE International Ultrasonic Symposium Seattle, Washington, Conf. Proc.,1995, S [4] W. Gebhardt, W. Hillger, P. Kreier: Airborne Ultrasonic Probes: Design, Fabrication, Application, 7. ECNDT, Kopenhagen, Mai, 1998 [5] W. Hillger, W. Gebhard: Bildgebende Ultraschallprüfung an CFK-Probekörpern mit Ankopplung über Luft, DGZfP- Jahrestagung 1999, Celle, Berichtsband [6] M. Castaings and P. Cawley: The generation, propagation, and detection of Lamb waves in plates using air-coupled ultrasonic tranducers, J. Acoust. Am. 100 (5) Nov. 1996, pp