Fortschritte in der Ultraschall-Phased-Array-Technik für die zerstörungsfreie Prüfung

In der modernen Industrie und Medizin spielt die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) eine entscheidende Rolle bei der Bewertung von Materialeigenschaften, der strukturellen Integrität und potenziellen Defekten, ohne die Funktionalität der getesteten Objekte zu beeinträchtigen. Unter den neuen ZfP-Technologien hat sich die Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT) als bahnbrechende Methode etabliert, die beispiellose Möglichkeiten bietet.

Die Innovation der PAUT liegt in der elektronischen Steuerung der Ultraschallstrahlformung, -lenkung und -fokussierung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Einzel-Element-Wandlern verwendet PAUT Arrays von Ultraschallelementen, die unabhängig voneinander Signale senden und empfangen können.

Ultraschallwellen (Frequenzen über 20 kHz) dringen in verschiedene Materialien ein, wobei an Materialgrenzflächen Reflexion und Brechung auftreten. Piezoelektrische Wandler wandeln elektrische Signale in Ultraschallwellen und umgekehrt um.

Die Technologie funktioniert wie eine "elektronische Linse", die Interferenzmuster von Wellen durch präzise zeitgesteuerte Elementaktivierung manipuliert. Konstruktive Interferenz erzeugt fokussierte Strahlen, während destruktive Interferenz unerwünschte Signale minimiert.

• Elementanzahl: Höhere Zahlen verbessern die Strahlsteuerung und Bildqualität
• Elementabstand: Bestimmt maximale Strahlwinkel
• Frequenz: Gleicht Auflösung gegen Eindringtiefe aus

Die elektronische Strahlsteuerung eliminiert die mechanische Sondenbewegung und ermöglicht:

• Mehrwinkel-Inspektionen ohne Sondenverlagerung
• Dynamische Fokussierung in verschiedenen Tiefen
• Scannen komplexer Komponenten

PAUT erzeugt umfassende Bildformate:

• A-Scans (Amplitude vs. Zeit)
• B-Scans (Querschnittsansichten)
• C-Scans (ebene Projektionen)
• S-Scans (sektorielle Scans)

Revolutionierung von Verfahren in:

• Kardiologie (Klappenbeurteilungen, Myokardbildgebung)
• Gefäßuntersuchungen (Thrombusdetektion, Flussanalyse)
• Onkologie (Tumorcharakterisierung)

Kritische Implementierungen umfassen:

• Inspektionen von Luft- und Raumfahrt-Verbundwerkstoffen
• Überwachung der Integrität von Bahngleisen
• Bewertungen von Druckbehältern in Kernkraftwerken

Aktuelle Einschränkungen umfassen:

• Datenverarbeitungsanforderungen von Mehrkanal-Systemen
• Einschränkungen der Scangeschwindigkeit bei hochauflösenden Inspektionen
• Gerätekosten im Vergleich zu herkömmlichem Ultraschall

Neue Innovationen konzentrieren sich auf:

• Full Matrix Capture (FMC) Datenerfassung
• Total Focusing Method (TFM) Bildrekonstruktion
• KI-gestützte Defekterkennung
• Miniaturisierte Array-Wandler

PAUT stellt einen Paradigmenwechsel in der zerstörungsfreien Bewertung dar und kombiniert elektronische Strahlsteuerung mit fortschrittlichen Bildgebungsfähigkeiten. Mit zunehmender Rechenleistung und Fortschritten in der Sensortechnologie werden Phased-Array-Systeme die Qualitätssicherung in Industrie und Medizin weiterhin verändern.