Ziel der Entwicklung

Kernziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung von neuartigen niederfrequenten Luftultraschallwandlern auf der Basis von piezoelektrischen Faserkompositen. Sie werden insbesondere für die Prüfung von stark-dämpfenden Materialien benötigt, wo die konventionelle Messtechnik schnell an ihre Grenzen stößt. Ein Hauptanwendungsbeispiel sind Sandwichstrukturen mit PU-Schaumfüllung wie sie im Leichtbau zur Temperaturisolierung eingesetzt werden. Die Schaumfüllungen besitzen eine große Dämpfung gegenüber einer Ultraschallwelle, so dass die Messsignale sehr klein bis nicht mehr detektierbar werden. Die typischen Dicken von mehreren Zentimetern tragen zu einer zusätzlich großen Dämpfung des Signals bei.

Vorteile und Lösungen

Die neuartigen Ultraschallwandler auf Basis von Piezokompositen haben zwei entscheidende Vorteile. Einerseits ist die angeregte Schwingungsmode, anders als bei konventionellen Radialschwingern, eine Dickenschwingung. Dadurch hat der Komposit eine Auslenkung direkt in der Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls. Andererseits besitzen die Komposite im angestrebten Frequenzbereich eine viel größere Dicke. Dadurch ist es möglich höhere Anregungsspannungen zu verwenden, was direkt zu einer größeren Auslenkung und damit verbunden zu einem größeren Schalldruck führt.
Die im Projekt entwickelten Faserkompositwandler arbeiten im niederfrequenten Ultraschallbereich von 50-200 kHz. Gegenüber konventionellen Luftschallwandlern besitzen sie außerdem eine größere Bandbreite und können prinzipiell mit beliebiger, also für die Anwendung optimaler Apertur gefertigt werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Hauptzielmärkte sind demzufolge all die Bereiche, in denen Leichtbaumaterialien oder Dämmstoffe eingesetzt werden. Neben der Luft- und Raumfahrtindustrie, wo die Luftultraschalltechnik entwickelt und inzwischen bereits etabliert ist, kommen derzeit sehr viele konkrete Nachfragen aus dem Automobilbereich und dem Leichtbau auf Basis von Kohlefaserverbundwerkstoffen (CFK). Unsere Erfahrung ist, dass viele der geforderten Prüfaufgaben mit den typischen Frequenzen von 200—300 kHz gelöst werden können. Bei Sandwichstrukturen und Mehrlagen-Wabenstrukturen werden aber immer häu?ger auch tieferfrequente Wandler mit Frequenzen von 50-200 kHz benötigt.
Weitere Märkte sind die Bauindustrie, wo ebenfalls verstärkt Sandwichstrukturen zur Dämmung eingesetzt werden, der Bootsbau, aber auch die Holz- und Keramikindustrie mit sehr stark dämpfenden Ausgangsmaterialien.
Die luftgekoppelte Ultraschallprüfung besetzt derzeit einen schnell wachsenden Nischenmarkt. Sie ist kein Ersatz für etablierte zerstörungsfreie Prüfverfahren, sondern kann sich überall dort Marktanteile sichern, wo es derzeit keine Lösungen für bestehende oder neu entstehende Prüfprobleme gibt. Im Vergleich zu den klassischen Ultraschallprüftechniken fehlt es zum Beispiel noch an einer Normgebung, die eine Akzeptanz bei Anwendern in der Breite erschwert. Allerdings zeigen konkrete Nachfragen aus verschiedenen Branchen, dass es aufgrund der geschilderten Vorteile der luftgekoppelten Prüfung diese zunehmend als Option in Frage kommt.
Betrachtet man den gesamten Markt für Luftultraschall-Prüfsysteme so ist dieser im Moment in der Phase, dass der Bedarf einerseits bei Forschungseinrichtungen und Hochschulen zu erkennen ist, die „offene“ Systeme für Forschung und Lehre benötigen. Im industriellen Bereich sind es derzeit größere Firmen mit eigenen FuE-Abteilungen, die eigene Prüfsysteme erwerben werden, um die Prüfmethode für den Einsatz in der Qualitätssicherung von Prozessen und Produkten zu qualifizieren. Die Prüfsysteme sind deshalb derzeit zumeist sehr flexibel, um eine größtmögliche Variation der Prüfparameter zu gewährleisten.
In den letzten Jahren hat mit der Etablierung der luftgekoppelten Ultraschallprüfung auch die Nachfrage als inline-fähiges Prüfverfahren zugenommen. Dabei wird von Industrieanwendern eine auf die Prüfaufgabe spezialisierte, aber durch den eingeschränkten Parameterumfang auch preisgünstigere Hardware erwartet. Ein zweiter sehr wichtiger Markt für das Forschungszentrum Ultraschall ist der Markt von Machbarkeitsuntersuchungen und Dienstleistungen (Einzelprüfungen, Verfahrensanpassungen, Prüfkopfcharakterisierung).
Die auf das Prüfproblem zugeschnittene komplexe Datenanalyse ist dabei neben der hochwertigen Hardware der Schlüssel zur erfolgreichen Materialprüfung. Als Dienstleister für die Entwicklung firmeninterner Prüfvorschriften sehen wir ein stetig steigendes Umsatzpotenzial. Ein drittes Marktsegment hat sich im Bereich der Prüfkopfcharakterisierung für uns entwickelt. Von Endanwendern bekommen wir oft die Frage gestellt, wie sich kommerziell verfügbare Prüfköpfe unterscheiden und welche besser sind. Einheitliche Datenblätter mit vergleichbaren Kennziffern sind im Luftultraschall auf Grund fehlender Normung nicht erhältlich. Das FZ-U hat deshalb einen Prüfplatz für Luftultraschallprüfköpfe entwickelt und aufgebaut, der sowohl Sende- als auch Empfangsverhalten reproduzierbar und vergleichbar quantitativ charakterisiert. Diese Dienstleistung wird bereits kommerziell vom FZ-U angeboten.