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QUALITÄTSKONTROLLE ANHAND ULTRASCHALLTOMOGRAFISCHE PRÜFSYSTEMEN 64. HEIDELBERGER BILDVERARBEITUNGSFORUM

Prof. Dr.-Ing. Ahmad Osman ahmad.osman@htwsaar.de ahmad.osman@izfp.fraunhofer.de +49 681 9302 - 3628

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Überblick

Einführung

Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik

Grundlagen der Full Matrix Capture Technik

Ultraschall Datenverarbeitung: Rekonstruktion und Reduktion

Anwendungsbereiche für automatisierte Ultraschallprüfungen

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Einführung Phys ik

Schallwellen sind mechanische Wellen, deren Ausbreitung über die elastische Kopplung der Materialteilchen erfolgt.

Frequenzbereiche von Schallwellen:

Infraschall: 0-20 Hz

Hörschall: 20 Hz-20 KHz

Ultraschall: 20 KHz-1 GHz

Hyperschall: 1GHz-10 THz

Ausbreitung über die elastische Kopplung der Materialteilchen

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Einführung Phys ik

Wichtige Kenngrößen bei der Ultraschallprüfung sind die Wellenlänge 𝝀 und die Frequenz 𝒇.

Die Frequenz 𝒇 [Hz=s-1] wird allein vom Schallsender bestimmt.

Die Wellenlänge 𝝀 [m] ist der regelmäßige Abstand der Teilchen mit gleichem Schwingungszustand.

Wellenlänge, Frequenz und Schallgeschwindigkeit 𝒄 sind folgendermaßen verknüpft:

𝒄 = 𝝀 ∙ 𝒇 [m/s]

Das Produkt aus Dichte 𝝆 [kg/m3] und Schallgeschwindigkeit 𝒄 wird als Schallwellenwiederstand (u.a. akustische Impedanz) 𝒁 bezeichnet:

𝒁 = 𝝆 ∙ 𝒄 [N.s/m3]

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Einführung Wellenarten in Festkörpern

Longitudinalwelle (Druck- bzw. Kompressionswelle)

Transversalwelle (Scherwelle)

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Einführung Schallwellen an Grenzflächen

Grenzflächen entstehen bei aneinander grenzenden Schichten mit unterschiedlicher Schallimpedanz.

Eine einfallende Schallwelle wird an einer Schichtgrenze anteilig reflektiert und anteilig in die zweite Schicht transmittiert.

𝒁𝟏, 𝒄𝟏

𝒁𝟐, 𝒄𝟐

Reflexionskoeffizient: 𝑅 =𝑍2−𝑍1

𝑍1+𝑍2

Durchlässigkeitskoeffizietn: 𝐷 =2∙𝑍2

𝑍1+𝑍2

Je großer der Unterschied zwischen den Medien Schallwellenwiederstände ist, je hoch ist die Reflexion. Zum Beispiel, Für Übergang Stahl/Luft: 𝑅 ≅ 1

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Einführung Anzeigen von Reflektoren

Aufbau eines einfachen Ultraschallsystems für die zerstörungsfreie Prüfung von Werkstoffen mit Ultraschall

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Einführung Anzeigen von Reflektoren

Oberflächen-parallele Reflektoren schräg liegende Reflektoren

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Überblick

Einführung

Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik

Grundlagen der Full Matrix Capture Technik

Ultraschall Datenverarbeitung: Rekonstruktion und Reduktion

Anwendungsbereiche für automatisierte Ultraschall Prüfungen

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Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik Schwenken und Fokuss ieren

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Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik Schwenken und Fokuss ieren

Linear-Array: N Sensoren die elektrisch und mechanisch voneinander isoliert sind

d b

s

L

D

Element N Element 1 Bezeichnungen:

D: Schwingergröße (N x d - s) ~ N x d

L: Schwingerbreite / Elementlänge

b: Elementbreite

s: Spalt zwischen benachbarten

Elementen

d: Mittenabstand benachbarter

Elemente b + s

N: Elementanzahl

n: Element Nr.

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Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik Schwenken und Fokuss ieren

Änderung des Einschallwinkels durch Variation der Verzögerungszeit:

sin = d

s

d

Gruppenstrahler-

elemente

1

s

2 3 4

t = * sin c

d

: Einschallwinkel

c: Schallgeschwindigkeit

s: Schallwegdifferenz

t: Laufzeitdifferenz zwischen

benachbarten Elementen

mit t = c

s

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Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik Schwenken und Fokuss ieren

Änderung des Einschallwinkels durch Variation der Verzögerungszeit:

Verzögerung der

Elementanregung

1

s

2 3 4

tn = * sin c

(n-1) * d

Laufzeitverzögerung für das Element n:

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Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik Schwenken und Fokuss ieren

Beispiel zur Berechnung der Laufzeitdifferenz zwischen benachbarten Elementen:

t = * sin c

d

Einschallwinkel : 45°

Schallgeschwindigkeit c : 3250 m/s

Element-Mittenabstand d: 0,8 mm

Wie groß ist die Laufzeitdifferenz zwischen benachbarten Elementen beim Linear-Array für einen vorgegebenen Einschallwinkel?

t = * 0,707 = 0,174 µs 3,25 mm

0,8 mm * µs

= 174 ns

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Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik Schwenken und Fokuss ieren

Beispiel zur Berechnung der Laufzeitdifferenz zwischen benachbarten Elementen:

Einschallwinkel : 45°

Schallgeschwindigkeit c : 3250 m/s

Element-Mittenabstand : 0,8 mm

Elementanzahl N: 16

Laufzeitverzögerung für die Elemente n = 2 bis N bzgl. des 1. Elements

tn = * sin c

(n-1) * d 0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Element-Nr.

Ve

rzö

ge

run

gs

ze

it [

ns

]

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Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik Schwenken und Fokuss ieren

Berechnung der Verzögerungszeiten beim Fokussieren

d s

y

x

(xF, yF)

0

xM

(n-1) * d xF - (n-1) * d

Element N Element 1

tan = xF - xM

yF

yF

Bei Vorgabe von Einschallwinkel

und Fokustiefe:

xF = xM + yF * tan

xF und xM werden eingesetzt in Formel für tn:

tn = (N-1) * d

2

1

c + yF * tan - (n-1) * d + yF

2

( ) 2

yF * tan

Schwingermitte

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Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik Schwenken und Fokuss ieren

Einschallwinkel: 70°

Fokustiefe: 50 mm

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Element-Nr.

Ve

rzö

ge

run

gs

ze

it [

ns

]

Einschallwinkel: 0°

Fokustiefe: 50 mm

0

50

100

150

200

250

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Element-Nr.

Ve

rzö

ge

run

gs

ze

it [

ns

]

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Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik Schwenken und Fokuss ieren

Risiken beim Prüfen mit fokussiertem Schallfeld

Bei exakter Fokussierung in die Reflektortiefe erhält man ein scharfes, hoch aufgelöstes Bild.

Quelle: Lavender International, Vortrag We.3.1.3, ECNDT 2006

Reflektor klar

detektiert

30 mm

10 mm

tief

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Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik Schwenken und Fokuss ieren

Risiken beim Prüfen mit fokussiertem Schallfeld

Reflektor nicht

detektiert

Quelle: Lavender International, Vortrag We.3.1.3, ECNDT 2006

20 mm

tief

Durch die starke Fokussierung auf die Tiefe 10 mm wird der Reflektor in 20 mm Tiefe nicht erkannt!

Hardware Lösung: Bei der Fehlersuche in alle Tiefen fokussieren (Dynamische Fokussierung, DDF)

Software Lösung : möglichst unfokussiert arbeitenFMC

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Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik Schwenken und Fokuss ieren

DDF

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Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik Schwenken und Fokuss ieren

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Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik Schwenken und Fokuss ieren

Gruppenstrahler-Prüfköpfe

Matrix-Array,

16 x16 Einzelschwinger

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Überblick

Einführung

Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik

Grundlagen der Full Matrix Capture Technik

Ultraschall Datenverarbeitung: Rekonstruktion und Reduktion

Anwendungsbereiche für automatisierte Ultraschall Prüfungen

Zusammenfassung

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Grundlagen der Full Matrix Capture Technik Prinzip Prinzip des FMC

2 3 N 1

1 1 1 2 1 3 1 N

2 1 2 2 2 3 2 N

3 1 3 2 3 3 3 N

N 1 N 2 N 3 N N

UT Hardware

Defekt

Informationsmatrix

i – Sender-Nr.

j – Empfänger-Nr.

A11 A12 …A1N

A21 A22 …A2N

A31 …A3N

AN1 …ANN

Prüfobjekt

Gruppenstrahler-Prüfkopf

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Überblick

Einführung

Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik

Grundlagen der Full Matrix Capture Technik

Ultraschall Datenverarbeitung: Rekonstruktion und Reduktion

Anwendungsbereiche für automatisierte Ultraschall Prüfungen

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Ultraschall Datenverarbeitung Rekonstruktion

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64. Heidelberger Bildverarbeitungsforum 27

Ultraschall Datenverarbeitung Rekonstruktion

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Ultraschall Datenverarbeitung Rekonstruktion

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64. Heidelberger Bildverarbeitungsforum 29

Ultraschall Datenverarbeitung Rekonstruktion

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Ultraschall Datenverarbeitung Rekonstruktion Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT)

SAFT: Delay + SUM

Punktstreuer verursacht geometrieabhängige Impulsantwort – Hyperboloid

Integration entlang Laufzeitkurve:

konstruktive Interferenz bei Reflektor

destruktive Interferenz bei Rauschen

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Ultraschall Datenverarbeitung Rekonstruktion

Stahl Referenzkörper

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Ultraschall Datenverarbeitung Rekonstruktion

3D-SAFT

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Ultraschall Datenverarbeitung Rekonstruktion

Rohdaten

Online 3D-SAFT

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Ultraschall Datenverarbeitung Datenreduktion: Sparse Deconvolution

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Ultraschall Datenverarbeitung Orthogonal Matching Pursuit + SAFT (OSAFT)

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Überblick

Einführung

Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik

Grundlagen der Full Matrix Capture Technik

Ultraschall Datenverarbeitung: Rekonstruktion und Reduktion

Anwendungsbereiche für automatisierte Ultraschallprüfungen

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Anwendungsbereiche für automatisierte

Ultraschallprüfungen

Stahlindustrie Qualitätsprüfung, Wareneingangsprüfung,

Anlagenüberwachung

Industriebereiche Anwendung

Aluminiumindustrie Qualitätsprüfung, Wareneingangsprüfung,

Anlagenüberwachung

Energieerzeugung Basis- und Wiederkehrende Prüfungen

Chemische Industrie Qualitätsprüfung, Anlagenüberwachung

Mineralölindustrie Anlagenüberwachung - auch offshore -,

Pipeline-Prüfung

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Anwendungsbereiche für automatisierte

Ultraschallprüfungen

Industriebereiche Anwendung

Luft- und Raumfahrt Qualitätsprüfung, Wareneingangsprüfung,

Prüfung von Flugzeugen und Raumfahrzeugen

Automobilindustrie Qualitätsprüfung, Wareneingangsprüfung

Eisenbahnindustrie Überwachung von Fahrwegen, Triebfahrzeugen

und Wagenpark

Keramische Industrie Qualitätskontrolle

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Phased Array Ultraschallprüfung von

Schweißnähten an Häckslertrommeln

Einzugswalzen (1), Häcksler-Trommel(2),

Körnerprozessor (3), Beschleuniger (4)

Schnittlängen: 4 … 22 mm

Häckslertrommel: 40, 48, 56 Messer

Trommel: ca. 470 mm

Drehzahl: ca. 1200/min

Häcksler-Durchsatz: ca. 250 t / h (max.)

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Phased Array Ultraschallprüfung von

Schweißnähten an Häckslertrommeln

Aufbau mit Lineararray

Durchtakten von Einzelelementen oder

Gruppen aus mehreren Elementen

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Phased Array Ultraschallprüfung von

Schweißnähten an Häckslertrommeln

Umsetzung als Prüfsystem beim Kunden

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Phased Array Ultraschallprüfung von

Schweißnähten an Häckslertrommeln

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FMC Ultraschallprüfung von Faserverbundverkstoffe

Gruppenstrahler-Prüfkopf auf dem Testkörper

(typische mehrschichtige Kohlefaser-Struktur)

Rückwand

Total Fokussing: FMC+SAFT

2

1

2

Rückwand

Total Fokussing: FMC+SAFT

1

2 1

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FMC Ultraschallprüfung von Faserverbundverkstoffe

Röntgen CT

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FMC Ultraschallprüfung von Stahlkomponenten

Riss in Top View

Stahl

Riss in 3D view

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Automatisierte Prüfsysteme für die Vollwelle Schienen-

Verkehrstechnik

Prüfung von Vollwellen mit Gruppenstrahlerprüfköpfen

Elementanzahl: 16

Frequenz: 3 MHz

Wellenart: Trans

Schwingerabm.: 24 x 15

Prüfkopfabm.: 60 x 35 x 35

25° - 75°

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Automatisierte Prüfsysteme für die Vollwelle Schienen-

Verkehrstechnik

Prüfkopfhalterung Gruppenstrahler-Prüfkopf

Prüfkopfsystemträger

Prüfkopfsystemträger

für die Prüfung der

Vollwelle

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Automatisierte Prüfsysteme für die Vollwelle Schienen-

Verkehrstechnik

Ergebnisdarstellung

aktuelle Prüfung

Referenzmessung

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Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Fragen?

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Literatur

Ahmad Osman: Automated Evaluation of Three Dimensional Ultrasonic Datasets Erlangen, 2013. (Dissertation: Technische Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg). Langenberg, K.-J.; Marklein, R.; Mayer, K. Ultrasonic Nondestructive Testing of Materials. Boca Raton, Florida : CRC Press Taylor & Francis Group, 2012. ISBN: 978-1-4398-5588-1. Jan Kirchhof, Fabian Krieg, Florian Römer, Alexander Ihlow, Ahmad Osman, Giovanni del Galdo. "Speeding up SAFT 3D processing by greedy sparse deconvolution". IEEE International Ultrasonics Symposium, 18-21 September 2016, Tours France. Jan Kirchof, Fabian Krieg, Florian Römer, Alexander Ihlow, Ahmad Osman, Giovanni Del Galdo, 3D-SAFT auf vorverarbeiteten Ultraschallsignalen - schneller messen bei verbesserter Auflösung. DGZFP-JahreTagung, 2017

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Literatur

B. W. Drinkwater and P. D. Wilcox. Ultrasonic arrays for nondestructive evaluation: A review. NDT & E International, 39(7):525– 541, 2006. J. Seydel. Ultrasonic synthetic-aperture focusing techniques in NDT. Research techniques in nondestructive testing, 6:1–47, 1982. M. Karaman, P.-C. Li, and M. O’Donnell. Synthetic aperture imaging for small scale systems. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 42(3):429–442, May 1995. C. Holmes, B.W. Drinkwater, and P. D.Wilcox. Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit-receive array data for non-destructive evaluation. NDT&E International, 38(8):701–711, December 2005. A. J. Hunter, B. W. Drinkwater, and P. D. Wilcox. The wavenumber algorithm for full-matrix imaging using an ultrasonic array. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 55(11):2450–2462, November 2008.

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Literatur

Hanke, Randolf ; Bessert, Steffen ; Niese, Frank ; Schwender, Thomas: Future research and development fields for railway inspectionIn: Springer, Karlheinz: 18th International Wheelset Congress 2016 : IWC 2016. München : European Railway Wheel-set Association - ERWA, 2016. G. Dao, D. Braconnier, and M. Gruber. Full matrix capture with a customizable phased array instrument. In Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Boise, USA, July 2014. A. Tuysuzoglu, J. M. Kracht, R. O. Cleveland, M. Cetin, and W. C. Karl. Sparsity driven ultrasound imaging. The Journal of the Acoustical Society of America, 131(2):1271–1281, 2012.