Ultraschall-Mikrofon prüft Werkstoffe und überwacht Inline-Prozesse

| Redakteur: Hendrik Härter

Das optische Mikrofon Eta250 Ultra. Ein Komplettsystem bestehend aus der Signalverarbeitungseinheit, Sensorkopf und optischer Faser.
Das optische Mikrofon Eta250 Ultra. Ein Komplettsystem bestehend aus der Signalverarbeitungseinheit, Sensorkopf und optischer Faser. (Bild: Xarion Laser Acoustics)

Für die Werkstoffprüfung und die Inline-Prozessüberwachung ist es oft schwierig, präzise Messergebnisse auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen zu bekommen. Abhilfe verspricht ein Ultraschall-Mikrofon.

Um Verbundstoffe, Schweißnähte oder Klebeverbindungen auf Mängel hin zu testen, hat sich in Firmen die zerstörungsfreie Prüfung mit Ultraschall durchgesetzt. Doch da bereits ein Großteil des Schalls an der Grenzfläche zwischen Luft und Material reflektiert wird, muss ein Koppelmedium wie Wasser oder Gel aufgetragen und der Prüfkopf am Werkstück entlanggefahren werden. Das bedingt einen umständlichen Aufbau und eine Erhöhung der Prüfdauer.

Herkömmliche Ultraschallempfänger beruhen in der Regel auf dem piezoelektrischen Prinzip, wobei die Ultraschallwelle das piezoelektrische Material in Schwingung versetzt. Damit der Schall möglichst verlustfrei in den Detektor einkoppeln kann, wird mit einem Koppelmittel die akustische Impedanz zwischen Prüfkörper und Detektor angeglichen. Dies verhindert, dass bereits an der Grenzfläche zwischen Luft und dem Piezoempfänger ein Großteil des Ultraschalls reflektiert und verloren geht, und dadurch die zerstörungsfreie Prüfung erschwert wird. Das optische Mikrofon hingegen detektiert den Ultraschall direkt in der Luft; die Schallwelle wird nicht erst in einen Festkörper eingekoppelt und in Folge dessen Schwingung detektiert. Vielmehr misst ein Laserstrahl berührungslos die Dichteveränderung der Luft, welche durch die sich ausbreitende Ultraschallwelle entsteht. Damit entfallen eine Luft-zu-Festkörper-Grenzschicht und der damit einhergehende unerwünschte Verlust des Prüfsignals.

Industrielle Prozesse überwachen

Das optische Mikrofon findet auch in einem weiteren Einsatzbereich Verwendung: Bei der industriellen Prozessüberwachung werden heute Kamera-Systeme eingesetzt. Bei Fertigungsprozessen, in denen Laser eingesetzt werden, darunter Laserschweißen und -strukturieren sowie in der additiven Fertigung, können optische Systeme aufgrund der starken optischen Prozessemissionen an ihre Grenzen stoßen. Die Kamera kann buchstäblich vom Laser geblendet werden, oder Schmauch kann die Sichtverbindung einschränken.

Außerdem kann keine Kamera eingesetzt werden, wenn der Fertigungsprozess auf Fehler überwacht werden soll, die unter der Oberfläche stattfinden. Beispiele hierfür sind Risse oder Porenbildung, oder eine sich ablösende Klebeschicht. Hier stellt die akustische Prozessüberwachung eine interessante Alternative dar. Analog der komplementären menschlichen Sinneswahrnehmungen erfolgt damit die Detektion nicht nur optisch mit Kamera (entsprechend dem menschlichen Auge), sondern auch akustisch über das Mikrofon (entsprechend den Ohren).

Ultraschall-Messung ohne Koppelmedium

Im Falle von akustischer Überwachung setzte man bislang auf Kondensatormikrofone, welche sich aber aufgrund ihrer Empfindlichkeit auf Hintergrundlärm nur bedingt für die Überwachung der Produktion und die Qualitätskontrolle einsetzen lassen. Da in einer Fertigungshalle der Umgebungslärm oft sehr groß ist, kommt akustische Prozessüberwachung mit herkömmlichen Mikrofonen für die meisten Prozesse nicht in Frage. Anders stellt sich die Situation beim optischen Mikrofon dar: Der messbare Frequenzbereich ist so groß, dass zwischen Hintergrundlärm (üblicherweise unter 100 kHz) und wertvoller Prozesssignatur (wesentliche Anteile auch über 100 kHz) mit Hilfe eines einfachen Frequenzfilters unterschieden werden kann. Die Inline- und in-Process-Überwachung von Laserschweißen und -strukturieren, CNC-Fräsen, Füllstandsmessung, Leckagemessung und zahlreicher weiterer Prozesse wurde mit dem optischen Mikrofon bereits erfolgreich umgesetzt. Selbst feinste Haarrisse im Material, die mit gewöhnlichen Kameras nur schwer erkennbar sind, können mit dem optischen Mikrofon entdeckt werden.

Diese Veränderung wird mit einem miniaturisierten Interferometer gemessen, und in eine proportionale Ausgangsspannung gewandelt. Dieser Ultraschall-Messvorgang lässt sich ohne Koppelmedium und berührungslos durchführen, was den Prüfaufwand reduziert, und eine automatisierte Prüfung mit Hilfe von Robotik ermöglicht. Zum Einsatz kommt ein akusto-optisches Prinzip: Dabei wird zunächst ein Laserimpuls auf den Prüfling geschossen, um das Material in Schwingung zu versetzen. Das in Folge in Luft abgestrahlte Signal dieses Schall-Schock-Pulses wird daraufhin gemessen. Die Schallwellenschwingungen bewirken eine Änderung des Luftdrucks, was wiederum die Wellenlänge des Laserlichts im optischen Mikrofon beeinflusst. Der erfassbare Frequenzbereich von 10 Hz bis 2 MHz in Luft ist nach Angaben des Unternehmens weltweit einzigartig. Durch die kleinen und handlichen Abmessungen des Prüfkopfs lässt er sich ohne großen Aufwand an Roboterarmen oder Anlagen zur Prozessüberwachung montieren. Das optische Mikrofon selbst benötigt für die Messungen nur sehr wenig Platz: Der Sensorkopf ist 5 mm groß.

Automobilbranche und Ultraschall-Materialprüfung

Neben der Überwachung von Fertigungsprozessen in der Automobilbranche kann das optische Mikrofon ebenso zur zerstörungsfreien, kontaktlosen Ultraschall-Materialprüfung von Punktschweißverbindungen, Verbundstoffen oder Klebeverbindungen eingesetzt werden. Relevante Branchen sind die Auto- und Flugzeugindustrie, aber auch andere Bereiche, in denen automatisierte Serienprüfung zur Qualitätssicherung von hoher Relevanz ist.

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