3D-Druck: Laser-Ultraschall spürt Defekte auf

University of Osaka entwickelt berührungslose Qualitätskontrolle für additive Produktionsverfahren

So stellt das Qualitätskontrollverfahren Defekte dar (Bilder: Takahiro Hayashi)

Osaka (pte005/22.09.2021/06:15)

Mit Hilfe von Laser-Ultraschall ist es Ingenieuren der University of Osaka https://www.osaka-u.ac.jp/en in Japan gelungen, Materialfehler im Inneren von Objekten zu erkennen, die mit additiven Fertigungsverfahren, auch 3D-Druck genannt, hergestellt worden sind. Der gepulste Laserstrahl wird auf das Objekt geschossen. Dort erzeugt er Schwingungen im Ultraschallbereich, die die Reflexion des Laserstrahls verändern. Das wird mit Fotodioden erfasst. Fehlerlose Objekte reflektieren das Laserlicht anders als Bauteile, die im Inneren beispielsweise Poren haben, sodass sie nicht brauchbar sind und eingeschmolzen werden müssen.

[b]Probleme mit komplex geformten Oberflächen[/b]

Bisher war es nicht möglich, die Qualität von Bauteilen mit komplex geformten Oberflächen mit Hilfe von Ultraschall zu überprüfen. Normalerweise muss es einen Kontakt zwischen dem Sender, der die Ultraschallimpulse erzeugt, und dem zu prüfenden Objekt geben, so wie bei der Bildgebung im medizinischen Bereich beispielsweise bei Schwangeren. Wenn die Oberfläche des Objekts nicht glatt ist gibt es keine Möglichkeit, die Schwingungen hineinzubringen. Der gepulste Laser schafft das jedoch berührungslos.

[b]Lichtreflexe machen Defekte sichtbar[/b]

Das Team unter der Leitung von Takahiro Hayashi, Professor für Mechanik, bohrte, um das Funktionieren des Verfahrens zu überprüfen, ein winziges Loch in eine Aluminiumplatte. Darauf befestigten sie eine dünne, fehlerfreie Aluminiumplatte. Dann scannten sie die Probe mit einem Laserstrahl und erfassten die daraus resultierenden Ultraschallvibrationen an Hand der Lichtreflexe. Deren mathematische Verarbeitung machte die Fehlstelle im Untergrund sichtbar.

[b]500-Mikrometer-Macken detektiert[/b]

„Wir haben die Laserpulsdauer, den Frequenzbereich und die Wiederholungsfrequenz systematisch variiert, um die Bildgebung von Defekten zu optimieren, und einen Algorithmus zur Verarbeitung der Signale entwickelt", sagt Hayashi. „Fortgeschrittene Tests an einer 3D-gedruckten Legierung, die üblicherweise als Benchmark in der Forschung verwendet wird, zeigten, dass wir Defekte erkennen können, die nur 500 Mikrometer groß sind."

Diese Ergebnisse haben vielfältige Anwendungen. Durch die weitere Optimierung des Fehlererkennungssystems könnte man Schäden an einem 3D-gedruckten Teil bereits während der Fertigung erkennen und sie möglicherweise reparieren, ehe sie überdeckt werden. Wenn das nicht geht kann man den Druck abbrechen, sodass kein Material verschwendet und Zeit gespart wird.

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