Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Objektrekonstruktion in der Mikrowellen-Defektoskopie (OMD)

Der Markt für faserverstärkte Kunststoffe (FVK) wächst überdurchschnittlich stark. Speziell die Transportindustrie drängt immer weiter auf eine Gewichtsoptimierung zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes. Prozessbedingt treten jedoch häufig Produktionsfehler auf, wie z. B. Fremdeinschlüsse oder Delaminationen. Zur Gewährleistung der Funktionalität sind qualitätssichernde Prüfungen unerlässlich. Zerstörungsfreie Prüfmethoden (ZfP) ermöglichen neben einer 100-% Kontrolle auch die Inspektion von im Betrieb befindlichen Teilen.

Mikrowellen sind hochfrequente, elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich von 300 MHz bis 300 GHz und können z. B. sehr gut in Kunststoffe eindringen. Bei der Prüfung mit Mikrowellen treten jedoch Beugungserscheinungen an Geometriesprüngen (Ränder, Ecken) auf. Fehler in diesen Bereichen sind unter Umständen nicht zu erkennen, was eine verringerte Zuverlässigkeit bei der randnahen Detektion bedeutet. Höhere Frequenzen reduzieren zwar Beugungsphänomene, jedoch sinkt die Eindringtiefe. In diesem Zusammenhang besteht erheblicher Forschungsbedarf um Ränder und Defekte scharf abzubilden.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Werkzeugs zur eindeutigen Fehlstellendarstellung durch Verbesserung der Aufnahmetechniken. Dadurch sollen sich zukünftig Fehler finden lassen, die bisher nicht identifiziert werden konnten. Dabei werden verfügbare Sonden in Form von Modellbeschreibungen berücksichtigt und Ansätze zur Strahlbündelung, Reichweitenregulierung sowie zur variablen Fokussierung erarbeitet. Gemeinsam mit den erfassten Messdaten soll eine autonome Erkennung und hochaufgelöste Rekonstruktion von Geometriesprüngen und Defekten entwickelt werden. Das Vorhaben konzentriert sich auf unterschiedliche FVK sowie verschiedene Defektarten bei unterschiedlichen Messfrequenzen.

Das Forschungsvorhaben wird interdisziplinär vom Institut für Automation und Kommunikation e. V. und dem Kunststoff-Zentrum SKZ bearbeitet.

Ergebniszusammenfassung:

Als wesentliches Ergebnis des Forschungsprojekts liegt eine Methode vor, die es durch Kombination verschiedener Messverfahren mit einer modellbasierten Signalauswertung erlaubt, Defekte unterhalb der physikalischen Wellenlänge zu charakterisieren. Das Verfahren basiert auf der Erfassung der Streuung und Beugung von elektromagnetischer Wellen an Inhomogenität und der Nachbildung der Beugungsmuster durch eine semianalytische Punktspreizfunktion. Im Projekt wurde nachgewiesen, dass diese Art der Nachbildung einer dreidimensionalen Beugung hinreichend ist, um bestimmte Defektklassen in Plattenstrukturen oder oberflächennah an ausgedehnten Prüfkörpern zu lokalisieren und in einem Optimierungsschritt die geometrische Form genauer als mit konventionellen Verfahren zu charakterisieren. Effektiv muss die Rekonstruktionsmethode gezielt auf bestimmte Fehlerformen kalibriert werden. Die Messung ist sowohl mit Einzelsonden als auch Matrixsonden zur Erzielung höherer Messraten realisierbar.

Es wurden grundlegende Kenntnisse über die Eignung der parametrischen Nachbildung von Beugungsmustern gewonnen. Diese Ergebnisse können direkt für weitere Forschungsarbeiten im Kunststoffbereich oder allgemein der Werkstoffprüfung genutzt werden, um neue Impulse zur Entwicklung hochauflösender Superresolution-Verfahren zu geben. Die Unabhängigkeit der parametrischen Modellierung ermöglicht es Herstellern, ihre bestehenden Anlagen zur Prüfung von Bauteilen mit Mikrowellen, um ein Softsensing zur zweistufigen Bewertung und genaueren Klassifizierung von Defekten, anzuwenden. Ein Umbau der Elektronik ist nicht notwendig. Die Methode lässt sich autark als nachgeschaltete Bewertungssoftware realisieren. Dies kann u. a. einen Mehrwert bei der defektgrößenabhängigen Sicherheitsbewertung liefern. Das Verfahren der modellbasierten Parameterschätzung lässt sich zudem auf andere Methoden wie z. B. die kapazitive Messtechnik, die Ultraschalltechnik oder die optische Messtechnik übertragen.