Luftgekoppelter Ultraschall für die Prüfung des Alterungszustandes von Klebeverbindungen
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Christian Gragert
Zusammenfassung
Die Luftultraschallprüfung findet als zerstörungsfreie und berührungslose Methode zunehmende Verbreitung. Bisher wird sie meist als Verfahren zum Auffinden von Fehlstellen eingesetzt. Aus Sicht der Qualitätssicherung sind aber auch quantitative Aussagen interessant, welche auf einer kontinuierlichen Skala Aussagen über den Zustand des Bauteils zulassen. Solche Verfahren wurden mit Luftultraschall entwickelt und an vier Arten von Klebeverbindungen zwischen Metall und Kunststoff getestet. Die Untersuchungen zielten darauf, Abweichungen zwischen ungealterten und künstlich gealterten Klebeverbindungen zu ermitteln. Zum einen wurden herkömmliche Transmissionsprüfungen quantitativ ausgewertet. Für einzelne Probengruppen ließen sich Unterschiede nach der Alterung nachweisen. Zum anderen wurde ein einseitiges Ultraschall-Verfahren entwickelt. Es basiert auf der luftgekoppelten Anregung von Plattenwellen. Ein linienhafter Scan wurde genutzt und eine Auswertemethode dafür erarbeitet. Hierbei wurde lokal aufgelöst die Phasengeschwindigkeit der geführten Wellen und der Schallpegel ermittelt. Anhand von Referenzversuchen wurde die Genauigkeit des Verfahrens gezeigt und die Reproduzierbarkeit nachgewiesen. In der Anwendung zeigten sich signifikante Unterschiede zwischen gealterten und ungealterten Proben, aber kein einheitliches Bild hinsichtlich der Materialkombination. Gleichwohl liefern die präsentierten Methoden perspektivisch vielversprechende Ansätze zur vorbeugenden Instandhaltung.
Abstract
Air-coupled ultrasound testing is a non-destructive and non-contact method and is therefore becoming increasingly widespread. Recently, it is used for detecting defects. From the quality assurance perspective quantitative statements are interesting. This enables statements to be made on a continuous scale. Such approaches were developed adopting air-coupled ultrasound. They were tested at four types of adhesive bonds between plastics and metals. The investigations aimed to determine the differences between unaged and artificially aged adhesive bonds. On the one hand, conventional transmission-tests were analysed quantitatively. For some kinds of adhesive bonds differences after ageing were detectable. On the other hand, a one-sided ultrasound method was developed. It bases on the air-coupled excitation of plate waves. A line scan was utilized and an analysis method developed. The speed of sound of the plate waves was locally detected in this way. The precision of the method was proofed with reference experiments. Application of the method on reference samples and artificially aged specimen significant differences were measured. But there is no consistent correlation to the material combination of the adhesive bonds. Nevertheless, the presented methods provide promising approaches for preventive maintenance in the future.
Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
Award Identifier / Grant number: 49MF200217
Über die Autoren
Christian Gragert ist seit 2023 Forschungsingenieur am Forschungszentrum Ultraschall. Schwerpunkt seiner im gleichen Jahr abgeschlossenen Abschlussarbeit zum Bachelor of Engineering (Physiktechnik) an der Hochschule Merseburg waren die in der vorliegenden Publikation präsentierten Messmethoden. Sein derzeitiges Tätigkeitsfeld umfasst neben der Luftultraschallprüfung die Entwicklung und Charakterisierung sonographischer Materialien.
Christoph Pientschke ist Diplomphysiker und arbeitet seit 2014 am Forschungszentrum Ultraschall. Dort ist er gegenwärtig der Leiter Forschung und Entwicklung. Seinen Doktortitel (Dr. rer. nat.) hat er 2013 an der Martin-Luther-Universität Halle erworben. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in der Modellierung mit der Finite-Elemente-Methode sowie der Analyse von Ultraschalldaten. Neben der Luftultraschallprüfung befasst er sich dabei auch mit medizinphysikalischen Fragestellungen.
Acknowledgments
Unseren Kollegen vom ifw Jena danken wir für die Herstellung und künstliche Alterung der Klebewinkel. Wir danken Mario Kiel für die ersten Ideen zur quantitativen Auswertung der Luftultraschallmessung. Ivo Zander verdanken wir Untersuchungen zur Reproduzierbarkeit der Messung der Plattenwellengeschwindigkeit.
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Research ethics: Not applicable.
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Informed consent: Not applicable.
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Author contributions: CP: concept, analysis, text and figures, final editing. CG: data, text and figures, final editing.
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Use of Large Language Models, AI and Machine Learning Tools: None declared.
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Conflict of interest: The author states no conflict of interest.
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Research funding: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz Grant 49MF200217.
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Data availability: The raw data can be obtained on request from the corresponding author.
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