Neue Luftultraschallwandler für die Materialprüfung entwickelt

Ein fast tägliches Szenario: Ein Flugzeug startet und stößt mit einem Vogel zusammen. Äußerlich ist am Flugzeug oft kein Schaden zu erkennen. Nur: Gilt dies auch für das Innere des Verbundmaterials? Für eine Analyse braucht man spezielle Messgeräte. Diese werden immer öfter benötigt, denn viele Materialien werden heutzutage nicht verschweißt sondern auch verklebt. Doch wie können diese Werkstoffe, die beispielsweise aus Metallen, Leichtmetallen, Verbundwerkstoffen und einem Kleber bestehen, auf Schäden, Risse, Poren oder Ablösungen des Klebers überprüft werden? Die BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat ein neues Verfahren entwickelt, mit dem man solche Schäden mittels Luftultraschall zerstörungsfrei ermitteln kann.

"Üblicherweise nimmt man Wasser als Koppelmittel bei der Ultraschallmessung", sagt Marc Kreutzbruck, der das Projekt leitet. "Doch für Materialien, die empfindlich gegen Wasser sind, ist das Verfahren nicht geeignet." Zudem gäbe es ein Problem bei komplex geformten Oberflächen oder bei Oberflächen, die nur schwer erreichbar seien.

Und noch ein Problem besteht: Luft hat nur eine geringe Dichte. Trifft der Schall auf ein Material, geht nur ein Bruchteil der Schallenergie ins Material. Der große Rest wird reflektiert. "Wir benutzen deshalb eine ganz neue Methode, um Schall zu erzeugen. Erzeugt wird ein thermoakustischer Schall, der ohne mechanisch schwingende Massen auskommt", berichtet Kreutzbruck. Das Besondere: Durch einen produzierten Stromimpuls entsteht eine thermische Welle, die sich auf die umgebende Luft überträgt und dort aufgrund der wärmebedingten Luftausdehnung eine kurze Schallwelle erzeugt. Zu sehen ist ein kurzes Signal, aber kein Nachschwingen, wie dies bei konventionellen Wandlern noch der Fall ist. "So kann man auch in Bereichen messen, die sonst durch das Nachschwingen überlagert werden", weiß Kreutzbruck.

Zum Einsatz kamen bislang als Schallerzeuger entweder kohlenstoffbasierte Nanodrähte und sonstige dünne Metalldrähte. "Im unteren Frequenzspektrum kann man das Schwingen der Drähte hören", sagt Kreutzbruck. Mit den Kohlenstoffröhrchen konnte das Prinzip bewiesen werden, allerdings wurden sie durch den immensen mechanischen Druck bereits nach einem halben Tag Einsatz zerstört. An der BAM konzentriert man sich deshalb auf dünne, nur 50 Nanometer dicke Titanbeschichtungen. "Titan ist ein sehr guter Werkstoff, sehr robust."

Noch sind die Ergebnisse nicht abgeschlossen. Denn bisher können die Wissenschaftler nur den Schall erzeugen, die Schallfelder aber mit dem Gerät nicht messen. "Wir wollen ein komplettes Messgerät für Impulsecho-Luftultraschall entwickeln", sagt Kreutzbruck. Derzeit laufen die Gespräche mit verschiedenen Forschungspartnern.

Quelle: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)