Zerstörungsfreie Materialprüfung
Laser-erzeugter Ultraschall für die automatisierte Fertigung
Ultraschall macht verborgene Details aus dem Inneren von Materialien sichtbar. Doch in der Produktion ist die klassische Ultraschallprüfung unpraktikabel, weil sie ein Kontaktmedium benötigt. Xarions patentierter Ansatz hingegen erfolgt Laser-gestützt und völlig ohne Einsatz von Wasser oder Gel.
Die in Wien ansässige Xarion Laser Acoustics hat sich über die letzten zehn Jahre zu einem Platzhirsch auf dem Markt für zerstörungsfreie Prüftechnik etabliert. Ihr bislang einzigartiger Ansatz, Ultraschall mit einem Laser zu erzeugen und daraus Bilder zu erzeugen, ermöglicht eine Prüfung vollkommen ohne Kontaktmedium wie Gel oder Wasser. Das ist insofern besonders, als dass die herkömmliche Ultraschallprüfung immer ein Koppelgel benötigt, was bei der roboter-gestützten Inline-Qualitätskontrolle unpraktikabel ist: Die auf dem Fließband vorbeilaufenden technischen Erzeugnisse möchte man natürlich nicht nass machen oder berühren. Aus diesem Grund wird die Technologie von Xarion bereits von zahlreichen Kunden in der Autobranche, aber auch in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, darunter von Porsche und Airbus.
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Ultraschall-Prüfung in der Fertigung
Der klassische Ultraschall-Ansatz
Ultraschall, eine Technologie, die oft nur mit medizinischen Bildgebungsverfahren in Verbindung gebracht wird, findet ihre Anwendung auch in einer Vielzahl von fertigenden Industrien. Diese Technik nutzt Schallwellen, die für das menschliche Ohr nicht hörbar sind. Es werden aus dem Echo der Ultraschallwellen Bilder hergestellt, die über die innere Beschaffenheit Auskunft geben und somit Informationen zur Verfügung stellen, die dem menschlichen Auge oder einer Kamera nicht zugänglich sind.
In herkömmlichen Ultraschallanwendungen,...
...wie etwa auch in der Medizin, wird ein Kontaktgel oder Wasser verwendet, um die Schallwellen effektiv vom Gerät in den Prüfling und umgekehrt zu übertragen. Das Kontaktmedium dient dazu, Luft zwischen dem Ultraschallkopf und der Oberfläche zu eliminieren, die sonst die Schallübertragung stören würde. Setzt man ein herkömmliches Ultraschallgerät ein, ohne vorher ein Gel aufzutragen, gehen über 99 Prozent der Schallwellen an der Oberfläche durch Reflexion verloren, so dass kein Prüfbild erzeugt werden kann. Konventionelle Ultraschallprüfung ist zusätzlich sehr zeit- und arbeitsintensiv, da sie im Regelfall per Hand von einer ausgebildeten Fachkraft durchgeführt werden muss.
Anregungslaser erzeugt Ultraschall
Xarion hebt sich in diesem Bereich durch eine revolutionäre Technologie ab. Das Unternehmen nutzt einen Anregungslaser, um mittels eines kurzen Laser-Lichtblitzes den Ultraschall direkt im untersuchten Material zu erzeugen. Je nach Beschaffenheit des Materials entstehen dabei unterschiedliche Schallprofile unter der Oberfläche. In diesen Schallprofilen steckt Information über den inneren Aufbau und Zustand des Materials. Man kennt das Phänomen aus der Musik, wo der gleiche Ton je nach Instrument unterschiedlich klingt. Auch die Erfassung der Schallprofile erfolgt mittels Laser. Xarion lauscht dazu mit dem eigens patentierten Optischen Mikrofon berührungsfrei den zurückgeworfenen Echos.
Sieben Oktaven gleichzeitig
Bei konventionellen Ultraschallsystemen muss für verschiedene Fehlerarten jeweils ein eigener Prüfkopf verwendet, also sozusagen ein eigener Ton angeschlagen werden. Xarion hingegen kann durch die Laseranregung ganze sieben Oktaven an Ton-Frequenzen gleichzeitig zum Schwingen bringen. Das bedeutet, dass ein technisches Erzeugnis (also zum Beispiel ein Flugzeugteil, ein Halbleiterchip oder eine Batteriezelle) durch einen einzigen Prüfvorgang rasch erfasst werden kann, es sind somit nicht länger mehrere Prüfdurchgänge mit verschiedenen konventionellen Prüfköpfen nötig. Die Vielzahl an empfangenen Schallprofile können gleichzeitig mithilfe des einzigartigen optischen Mikrofons von Xarion abgehört werden, ohne dass der Prüfling berührt werden muss.
»In unserem Slogan – Hören mit Licht & Sehen mit Schall –...
...haben wir unsere patentierte Prüfmethode am kompaktesten beschrieben«, erklärt Dr. Balthasar Fischer, Gründer und CEO von Xarion Laser Acoustics. »Wir können damit nicht nur berührungslos, in einem gewissen Abstand zum Bauteil, sondern insbesondere auch ohne Einsatz eines Kontaktmittels wie Gel messen. Eben dieses Kontaktmedium verhindert oft, dass konventionelle Ultraschallprüftechniken automatisiert werden können. Unser Prüfprozess ist im Gegenzug leicht automatisierbar und entsprechend auch für die Anwendung auf großen Industrierobotern geeignet. Wir können damit kleinste Risse, Löcher oder Lufteinschlüsse unter der Oberfläche detektieren, während die Prüfmaschine an der Fertigungslinie steht.«
Neuartige Anwendungen in der Automobilindustrie
Das schnelle Wachstum im Markt von Elektroautos und erneuerbaren Energiesystemen hat die Nachfrage nach effizienten Batterietechnologien immens erhöht. Die Sicherheit und Leistung von Batteriezellen erfordert zerstörungsfreie Prüfverfahren – und das gleich auf mehreren Stufen der Wertschöpfungskette der Batterieherstellung.
Ein praktisches Beispiel...
...ist die Herstellung von Auto-Batteriemodulen, die aus vielen einzelnen Zellen bestehen. Diese Batteriezellen werden durch eine Wärmeleitpaste mit der Außenhülle verbunden. Eine gleichmäßige Verteilung der Paste ist entscheidend, denn mangelhaft bedeckte Bereiche können zu lokaler Überhitzung führen und im schlimmsten Fall sogar Brände verursachen.
Hier setzt die Ultraschalltechnologie...
... von Xarion an. Durch das „Abklopfen“ der Außenhülle mit einem Laser und der Analyse der dadurch entstehenden Schallwellen kann Xarion feststellen, ob Luftblasen oder Fehlstellen unterhalb der Oberfläche in der Wärmeleitpaste, dem sogenannten Gapfiller, vorhanden sind. Das Messsystem ist dabei einseitig anwendbar, Anregung und Detektion sind entsprechend in einem Prüfkopf vereint, so dass auch fertig produzierte Module vermessen werden können.
Tobias Hötzer, Senior Projektmanager bei Xarion Laser Acoustics, fügt noch hinzu: »Ultraschall ist im Allgemeinen die bevorzugte zerstörungsfreie Prüftechnik bei der Batterieprüfung. Er eignet sich besonders gut für die Beobachtung dünnster Flüssigkeits- und Gasgrenzflächen; selbst durch dickere Schichten hindurch. Solche feinen Grenzflächen sind für andere Methoden wie etwa der Computertomografie eine große Herausforderung. Die Prüfdauer pro Zelle würde Stunden dauern, vom Strahlenschutz ganz zu schweigen. Die Möglichkeit, die Verteilung der Paste unter der Oberfläche der Batteriemodule berührungslos mit Ultraschall zu prüfen, bietet die Chance, den Prüfprozess im Minuten- oder gar Sekundentakt zu automatisieren, was ein unglaublicher Mehrwert für unsere Kunden ist. Ohne unsere berührungslose Technologie müssten Automobilunternehmen z.B. ganze Module regelmäßig aus der Produktion nehmen und zerstörend prüfen, was natürlich mit immensen Kosten verbunden ist.«
Ultraschalltechnik treibt Batterieproduktion voran
Mit der zunehmenden Abhängigkeit von Batterietechnologien wachsen auch die Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf Sicherheit und Kosten. Die vollflächige und homogene Benetzung von Batteriezellen mit flüssigen Elektrolyten ist ein entscheidender Faktor für deren Lebensdauer und Zuverlässigkeit. So kann etwa eine ungleichmäßige Verteilung der Elektrolyte im Inneren der Zelle zu Sicherheitsrisiken, langfristig sogar zu Kurzschlüssen führen. Auch wirtschaftlich macht es Sinn, solche Zellen direkt beim Befüllen zu prüfen, da so durch kleine Anpassungen im Fertigungsprozess weiterer Ausschuss reduziert werden kann.
Martin Fürst, Batteriezellenexperte bei Xarion Laser Acoustics, erklärt die Bedeutung von Ultraschallprüfungen bei Batteriezellen: »Batteriehersteller stehen oftmals unter großem Druck möglichst günstig einwandfreie Batterien auszuliefern. Wir sind sehr stolz darauf, dass wir mit unserer kontaktlosen Technologie den Kunden entscheidende Innovationsvorsprünge ermöglichen. Die Prüfung kann inline, also direkt in der Linie, erfolgen.«
Xarion hat erst kürzlich in Kollaboration...
...mit der Manz AG, einem deutschen Automatisierungsunternehmen mit starkem Fokus auf Batteriezellenproduktion, ein innovatives Ultraschall-Monitorsystem für Batteriezellen entwickelt.2 Bei dieser Anlage trifft ein Laser von der einen Seite auf die Zelle und das Xarion Mikrofon hört auf der anderen Seite das Ultraschallprofil ab. Je nachdem welche Materialien die Schallwelle auf dem Weg zum Mikrofon durchdringt, ändert sich das Schallprofil signifikant. Trockene Bereiche der Batteriezelle reflektieren den Schall, während die mit Elektrolytflüssigkeit benetzten Bereiche den Schall leiten. Dadurch können z.B. nicht benetzte Stellen leicht identifiziert werden. „Wir haben hier vor allem durch die deutlich höhere Auflösung und Messgeschwindigkeit unserer Technologie gegenüber konventionellen Systemen einen Vorteil“, so Fürst.
Bei diesen Prüfanlagen für Batteriezellen handelt es sich...
...um ein Stand-Alone-System, das sowohl für die Vorproduktion oder Entwicklung geeignet ist, das aber auch hervorragend für die Inline-Prüfung eingesetzt werden kann. Die Prüfung von Pouchzellen, prismatischen Zellen und Rundzellen, also allen gängigen Zell-Geometrien ist somit möglich.
Einseitige Ultraschallprüfung für die Aerospace-Produktion
Auch die Luft- und Raumfahrtindustrie kämpft mit Herausforderungen, wenn es um die Qualität und deren Prüfung in der Produktion geht. Schlimmstenfalls geraten Flugzeughersteller aufgrund negativer Medienberichte über mangelhafte Fertigungsqualität in wirtschaftliche Bedrängnis. Deswegen sind Flugzeugbauer mitsamt ihren Zulieferern stets auf der Suche nach zuverlässigen Methoden, die erforderliche Qualität tatsächlich zu garantieren.
Eben hier setzt die neue Puls-Echo-Technologie...
...von Xarion an. Es handelt sich um ein einseitiges Prüfverfahren mit einer sehr hohen Auflösungsgrenze, mit dem das Flugzeugteil roboter-gestützt völlig kontaktfrei abgescannt werden kann. Das Verfahren ermöglicht die Ultraschallprüfung ganzer Flugzeugteile, nahezu unabhängig von ihrer Kontur, Form und Größe. Aufgrund der geringen Größe der Prüfköpfe und der Kontaktlosigkeit können sogar schwer zugängliche Stellen problemlos auf Risse, innere Löcher oder Ablösungen getestet werden.
»Wir bieten Flugzeugherstellern die Möglichkeit,...
...ganze Bauteile effektiv und schnell auf innere Fehlstellen zu überprüfen. Dabei verlieren wir aber nicht die Kosten und die Wettbewerbsfähigkeit unserer Kunden aus den Augen«, erklärt Markus Pešek, Applikationsingenieur bei Xarion Laser Acoustics und Experte für Puls-Echo Verfahren. »Vor allem unsere Flexibilität wird von unseren Kunden sehr geschätzt. Denn wir können mit dem gleichen Sensor nicht nur Metall und Kohlefaserverbindungen, sondern auch offenporige Bauteile und Honigwabenstrukturen ohne Kontaktmedium wie Wasser oder Gel analysieren.«
Gerade in der Raumfahrtindustrie,...
...zum Beispiel in der Produktion von Raketen- oder Satellitenteilen, ist der Einsatz von Ultraschallgel oder Wasser problematisch, oft sogar verboten. Während herkömmliche Ultraschalltechnologien deswegen wegfallen, bietet Xarion hier die Möglichkeit, Bauteile unterschiedlichster Art auf innere Fehlstellen zu überprüfen. Xarion hat sich mit einer Kooperation mit Airbus bereits einen Namen gemacht, auch amerikanische Raketenhersteller setzen auf die Weltneuheit.
Turn-Key-System für die Industrie von morgen
Um neue Technologien vor dem Einbau in die Produktionslinie eingehend zu testen, bietet das Xarion neben kundenspezifischen Sonderanlagen auch sogenannte LEAsys-Turn-Key-Laborsysteme an. In diesem Rahmen steht bei Xarion eine ganze Palette an standardisierten und modularen Laborscannern zur Verfügung. Diese sind nicht nur in Forschungs- und Entwicklungsabteilungen beliebt, sondern können auch als Atline-Stationen direkt in der Produktion eingesetzt werden. Dabei können flexibel verschiedene Größen, Positioniersysteme und für die jeweiligen Anwendungen optimale Prüfköpfe ausgewählt werden.
»Die Möglichkeit, unsere Technologie zuerst...
...mit einem LEAsys Scanner in einer Pilotanlage zu erproben, wird von unseren Kunden als entscheidender Vorteil angesehen. Denn oft gilt, man muss etwas erst auf Herz und Nieren getestet haben, bevor man bereit ist, Änderungen in bestehenden Produktionslinien vorzunehmen«, resümiert Dr. Josef Pörnbacher, Head of Applications bei Xarion Laser Acoustics.
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