Schallwellen können auf Oberflächen Eigenschaften verraten. Parameter wie Beschichtungsqualität oder Oberflächengüte von Bauteilen lassen sich mit Laser und Sensor zerstörungsfrei analysieren. In der Forschung und in einigen Industrielaboren ist diese laserinduzierte Oberflächenwellen-Spektroskopie bereits eine erprobte Messtechnologie. Mit dem laserakustischen Verfahren LAwave bietet das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden die zweite Generation eines bedienungsfreundlichen Messgeräts, das laut einer Mitteilung des Fraunhofer IWS den Durchbruch in die industrielle Praxis ermöglicht.
Bei der Laser-induzierten Oberflächenwellen-Spektroskopie wird ein spezieller Laser genutzt, der unhörbare Schallwellen auf einer zu untersuchenden Bauteiloberfläche anregt. Dabei senden sie Frequenzen mit einer möglichst hohen Bandbreite über die Werkstückoberfläche. Je nach Frequenz breiten sich diese Wellen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in verschiedenen Tiefen im Material aus. Am anderen Ende der Messstrecke zeichnen Sensoren auf der Oberfläche auf, welche Wellen wie schnell ankommen. Die Summe der Messwerte für die verschiedenen Schallfrequenzen ergibt einen Fingerabdruck der untersuchten Oberflächen und Schichten, den eine Spezialsoftware auswertet und aufbereitet. Aus der so ermittelten Signatur lassen sich insbesondere Rückschlüsse auf die effektiven mechanischen Eigenschaften und Fehlstellen des analysierten Werkstücks ziehen. Jeder Riss, jede Pore oder Ansammlung von Fremdatomen im Material beeinflusst letztlich den Weg der Schallwellen auf der Oberfläche beziehungsweise durch die aufgebrachte Schicht.
Schnelle und zerstörungsfreie Prüfung von Schichten und Oberflächen
Diese Technologie ermöglicht es uns, Schichten und Oberflächen zerstörungsfrei, schnell und sehr genau zu untersuchen, erklärt Projektleiter Dr. Stefan Makowski, der am Fraunhofer IWS die Gruppe für Schichtcharakterisierung leitet. Mit LAwave gehen wir nun den Schritt zur Anwendung in der Industrie. Konkrete Felder finden sich beispielsweise im Automobilbau, in der Oberflächenbeschichtung und in der Mikroelektronik. So kann die Oberflächenwellen-Spektroskopie zum Beispiel Risse und Poren an thermisch gespritzten Oberflächen bewerten, ohne das Bauteil zu zerstören, wie es bei der herkömmlichen Querschliffuntersuchung üblich ist. In der Halbleiterindustrie lässt sich der Abtrag von Störschichten auf Siliziumoberflächen untersuchen. Auch für die Qualitätskontrolle von PVD-Schichten, wie zum Beispiel verschleißfeste und reibungsmindernde Schichten aus diamantähnlichem Kohlenstoff auf Motorradketten und Motorenkomponenten, eignet sich die LAwave-Technologie.
Das LAwave-Messsystem ermöglicht in dieser Ausführung die schnelle und zerstörungsfreie Charakterisierung kleiner und mittelgroßer Bauteile (© J. Jeibmann/Fraunhofer IWS)
Potenzial für Umwelt und Gesundheit
Großes Potenzial für den Schutz von Umwelt und Gesundheit eröffnet die LAwave-gestützte Analyse von Bremsscheiben der neuesten Generationen: Die Fahrzeugindustrie geht schrittweise dazu über, die Stahlscheiben mit speziellen Schichten aus Hartmetall, Keramik oder anderen Materialien zu überziehen, um Abrieb und Korrosion zu mindern. Einerseits soll dies dafür sorgen, dass Kfz und Motorräder die immer strengeren Feinstaubgrenzwerte im EU-Raum erfüllen. Anderseits beugen die Hersteller damit einem ungewollten Folgeeffekt des Umstiegs auf Elektroantriebe vor: Elektrische Fahrzeuge setzen oft nur die Motorbremse ein, um per Rekuperation ihre Batterien wieder aufzuladen. Die herkömmlichen Radbremsen nutzen sie seltener – und diese rosten dadurch schneller. Beide Probleme lassen sich durch die erwähnten Zusatzschichten stark mindern, allerdings noch nicht zerstörungsfrei prüfen.
Fortlaufende Entwicklung und Verbesserung
Frühe Anlagen dieser Art erforderten eine komplizierte Auswertung und wurden meist nur von spezialisierten Wissenschaftlern bedient. In den letzten 20 Jahren fanden sie vor allem für Forschungsprojekte in Universitäten und außeruniversitären Instituten ihre Anwendung. Doch seither hat das Fraunhofer IWS die Technik und Software stetig weiterentwickelt, verbessert und das Design gemeinsam mit Partnern bedienungsfreundlicher gestaltet. Dazu trug eine Kooperation zwischen dem Fraunhofer IWS und der Professur für Technisches Design an der Technischen Universität Dresden (TUD) bei.
Das Fraunhofer IWS entwickelt aktuell nach eigenen Angaben weitere technologische Verbesserungen, die LAwave neue Anwendungsfelder erschließen; beispielsweise kann künstliche Intelligenz die Analysequalität noch einmal deutlich verbessern. Außerdem steht ein mobiler LAwave-Messkopf auf der Agenda. Er soll die Oberflächenanalyse von innenbeschichteten Rohren oder Walzen sowie anderen besonders schweren, großen oder komplex geformten Maschinenkomponenten ermöglichen, die sich nicht in ein Standgerät einspannen lassen.
Kontakt
Dr.-Ing. Stefan Makowski, Gruppenleiter Schichtcharakterisierung, E-Mail: stefan.makowski@iws.fraunhofer.de
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