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Wissen & Umwelt

Dem Kunststoff unter die Haut geschaut

Faserverstärkte Kunststoffe sind leicht und hochbelastbar. Die Schichten, aus denen sie bestehen, müssen dafür ordentlich aufgebaut und verklebt sein. Ob das so ist, lässt sich mit Ultraschall herausfinden.

Ein Computer zur Auswertung einer Werkstoffprüfung mit Ultraschall, entwickelt vom Fraunhofer Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP in Saarbrücken, präsentiert auf der Hannover Messe 2014 (Foto: Fabian Schmidt/ DW)

Versuchsaufbau des Fraunhofer IZFP zur Materialprüfung

Ein Roboterarm führt in einem Wasserbad einen Ultraschallsensor über eine Platte aus Carbonfasern. Auf dem Bildschirm erscheint ein dreidimensionales farbiges Bild. Jedes Detail aus dem Inneren der faserverstärkten Kunststoffplatte wird sichtbar: Schmutz- oder Lufteinschlüsse, Risse, Dehnungen und auch die Gleichmäßigkeit des Schichtaufbaus, der miteinander verklebten Faserplatten. All das gibt Materialforschern Aufschluss über die Verarbeitungsqualität und Haltbarkeit.

Die Front des BMW i8, ein Plug-In-Hybridsportwagen, am Mittwoch (26.10.2011) zum Richtfest einer neuen Produktionshalle in Leipzig. (Foto: Peter Endig/ dpa-Bildfunk)

Eine Karosserie aus Carbon-Fasern. Ultraschall-Tomographie könnte zur Qualitätsprüfung dienen

"Auch die Größe der Materialfehler und ihre genaue Lage können wir erkennen", sagt Hans-Georg Herrmann, der am

Fraunhofer Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren

(IZFP) den Bereich Methodenentwicklung leitet. Geht es zum Beispiel darum, einen Carbon-Flugzeugflügel vor dem Einbau noch einmal gründlich auf "Herz und Nieren" durchzuchecken, ist Ultraschall das Mittel der Wahl. Denn dem Tiefenblick des Sensors entgeht praktisch nichts. Und im Gegensatz zu anderen Verfahren muss nicht in das Material eingedrungen werden, müssen keine Proben entnommen werden.

Methoden aus der Medizin

Der breiten Masse ist der Ultraschall vom Arztbesuch bekannt: Vom Kardiologen etwa. Auch werdende Mütter kennen es: Die Bildgebung ist mittlerweile so gut, dass die Eltern das Baby auf dem Bildschirm in allen Details erkennen können.

Eine Ultraschall-Schwangerschafts- Untersuchung (Foto: Sven Bähren/Fotolia)

In der Medizin sind Ultraschall-Untersuchungen Routine. Sie liefern aber nur zweidimensionale Bilder.

Unterschiede gibt es dennoch: Im Gegensatz zur Faserplatte im Wasser stellt beim Menschen eine Gelschicht zwischen Haut und Ultraschallsensor sicher, dass die Schallwellen in einem flüssigen Element bleiben. So werden Brechungen an der Grenzschicht zwischen Luft und Flüssigkeit verhindert – nur so kann der Ultraschall funktionieren. Und anstelle eines Roboters führt beim Menschen die Hand des Arztes das Ultraschallgerät.

Dreidimensionale Bilder

Der wichtigste Unterschied liegt wohl aber in der neuartigen Bildauswertung der Ultraschall-Signale am Computer, denn die wird immer besser. Forschern des Fraunhofer IZFP ist es nämlich gelungen, aus den Daten, die der Sensor am Roboterarm liefert, mit einem speziellen Algorithmus hochaufgelöste dreidimensionale Bilder zu erzeugen. So entsteht praktisch eine Ultraschalltomographie. Die Forscher können sich das Innere der Kunststoffplatte also aus allen Richtungen betrachten. Das ist besonders wichtig, weil Fasern auch in verschiedene Richtungen verlaufen.

Ein Prüfkopf zur Werkstoffprüfung mit Ultraschall, entwickelt vom Fraunhofer Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP in Saarbrücken, präsentiert auf der Hannover Messe 2014 (Foto: Fabian Schmidt)

Der Prüfkopf liefert Daten für die grafische Darstellung

All das ginge nicht, ohne einen komplexen aufbau des eigentlichen Ultraschall-Kopfes am Ende des Roboterarms: Darin sind viele sogenannte Einzelschwinger-Prüfköpfe nebeneinander angebracht. So stellen die Erfinder sicher, dass die Ultraschallwellen das Material nicht nur punktförmig durchdringen, sondern großflächig.

Einzigartig ist dabei, dass jeder Schwinger auch einzeln angesteuert werden kann. So ist es möglich, dass der Ultraschallsensor jeden einzelnen Punkt im Material gesondert fokussiert. "Die Ortsauflösung dieser Aufnahmen ist wesentlich besser als bei herkömmlichen Verfahren", hebt Herrmann hervor, "gleichzeitig konnten wir die Prüfgeschwindigkeit signifikant erhöhen." Denn das neue Gerät ist in der Lage, die Daten in Echtzeit an die Untersucher zu liefern - eine entscheidende Voraussetzung, dass die Technik einmal routinemäßig im Fahrzeug oder Flugzeugbau eingesetzt werden kann.

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