QUALITÄTSKONTROLLE ANHAND … · UT Hardware Defekt Informationsmatrix i – Sender-Nr. j –...

© Fraunhofer Prof. Dr.-Ing. Ahmad Osman,

64. Heidelberger Bildverarbeitungsforum 1

QUALITÄTSKONTROLLE ANHAND ULTRASCHALLTOMOGRAFISCHE PRÜFSYSTEMEN 64. HEIDELBERGER BILDVERARBEITUNGSFORUM

Prof. Dr.-Ing. Ahmad Osman [email protected] [email protected] +49 681 9302 - 3628



Überblick

Einführung

Grundlagen der Gruppenstrahlertechnik

Grundlagen der Full Matrix Capture Technik

Ultraschall Datenverarbeitung: Rekonstruktion und Reduktion

Anwendungsbereiche für automatisierte Ultraschallprüfungen



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



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]



Einführung Wellenarten in Festkörpern

Longitudinalwelle (Druck- bzw. Kompressionswelle)

Transversalwelle (Scherwelle)



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



Einführung Anzeigen von Reflektoren

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



Einführung Anzeigen von Reflektoren

Oberflächen-parallele Reflektoren schräg liegende Reflektoren



Überblick

Einführung




Anwendungsbereiche für automatisierte Ultraschall Prüfungen



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.




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




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:




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




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

]




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




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

]




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




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




DDF




Gruppenstrahler-Prüfköpfe

Matrix-Array,

16 x16 Einzelschwinger



Überblick

Einführung





Zusammenfassung



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



Überblick

Einführung







Ultraschall Datenverarbeitung Rekonstruktion



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




Stahl Referenzkörper




3D-SAFT




Rohdaten

Online 3D-SAFT



Ultraschall Datenverarbeitung Datenreduktion: Sparse Deconvolution



Ultraschall Datenverarbeitung Orthogonal Matching Pursuit + SAFT (OSAFT)



Überblick

Einführung




Anwendungsbereiche für automatisierte Ultraschallprüfungen



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



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



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.)





Aufbau mit Lineararray

Durchtakten von Einzelelementen oder

Gruppen aus mehreren Elementen





Umsetzung als Prüfsystem beim Kunden



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



FMC Ultraschallprüfung von Faserverbundverkstoffe

Röntgen CT



FMC Ultraschallprüfung von Stahlkomponenten

Riss in Top View

Stahl

Riss in 3D view



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°




Verkehrstechnik

Prüfkopfhalterung Gruppenstrahler-Prüfkopf

Prüfkopfsystemträger

Prüfkopfsystemträger

für die Prüfung der

Vollwelle




Verkehrstechnik

Ergebnisdarstellung

aktuelle Prüfung

Referenzmessung



Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Fragen?



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



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.



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.

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