Zerstörungsfreies Prüfverfahren Berührungslose Prüfverfahren für die Industrie und für Batteriezellen

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Bei einer speziellen Ultraschallprüfung wird mit Hilfe eines Lasers Schall erzeugt und wieder aufgefangen. Damit lassen sich verborgene Details im Inneren von Materialien aufspüren. In der Produktion können Ausschussteile frühzeitig erkannt werden.

Bei Ultraschall wird oft mit medizinischen Bildgebungsverfahren in Verbindung gebracht. Doch diese Technik ist in der Industrie vielseitig einsetzbar. Die von der Technik verwendeten Schallwellen sind für das menschliche Ohr nicht hörbar. Aus dem Echo der Ultraschallwellen werden Bilder errechnet, die über die innere Beschaffenheit von soliden Körpern Auskunft geben und somit Informationen zur Verfügung stellen, die dem menschlichen Auge oder einer Kamera nicht zugänglich sind.

Bei Ultraschallanwendungen, beispielsweise in der Medizin, wird ein Kontaktgel oder Wasser verwendet, um die Schallwellen effektiv vom Gerät zum Prüfling und umgekehrt zu übertragen. Das Kontaktmedium dient dazu, Luft zwischen dem Ultraschallkopf und der Oberfläche zu entfernen, die sonst die Schallübertragung stören würde. Mit einem konventionellen Ultraschallgerät gehen ohne vorheriges Auftragen eines Gels über 99 Prozent der Schallwellen an der Oberfläche durch Reflexion verloren. Außerdem ist die konventionelle Ultraschallprüfung sehr zeit- und arbeitsintensiv. Sie muss in der Regel von einer ausgebildeten Fachkraft manuell durchgeführt werden.

Laserblitz wird direkt im Material erzeugt

Xarion Laser Akustik nutzt ein spezielles Verfahren: Mit einem Anregungslaser wird der Ultraschall durch einen kurzen Laserblitz direkt im zu untersuchenden Material erzeugt. Je nach Beschaffenheit des Materials entstehen unter der Oberfläche unterschiedliche Schallprofile. Diese Schallprofile enthalten Informationen über die innere Struktur und den Zustand des Materials. Man kennt das Phänomen aus der Musik, wo der gleiche Ton je nach Instrument unterschiedlich klingt. Die Schallprofile werden ebenfalls mit einem Laser aufgenommen. Dazu lauschen die Experten mit einem eigens patentierten optischen Mikrofon berührungslos den zurückgeworfenen Echos.

Bei herkömmlichen Ultraschallsystemen muss für verschiedene Fehlerarten jeweils ein eigener Prüfkopf eingesetzt und damit ein eigener Ton angeschlagen werden. Das Xarion-Prinzip kann durch Laseranregung ganze sieben Oktaven an Tonfrequenzen gleichzeitig zum Schwingen bringen. Ein technisches Produkt, zum Beispiel ein Flugzeugteil, ein Halbleiterchip oder eine Batteriezelle, kann mit einem einzigen Prüfdurchgang schnell erfasst werden. Mehrere Prüfdurchgänge mit verschiedenen konventionellen Prüfköpfen sind nicht erforderlich. Die Vielzahl der empfangenen Schallprofile kann gleichzeitig mit einem optischen Mikrofon abgehört werden, ohne dass der Prüfling berührt werden muss.

Zerstörungsfreie Prüfverfahren für Batteriezellen

Der schnell wachsende Markt für Elektroautos und erneuerbare Energiesysteme hat die Nachfrage nach zuverlässigen und effizienten Batterietechnologien erhöht. Für den sicheren Betrieb von Batteriezellen sind zerstörungsfreie Prüfverfahren notwendig – und zwar auf mehreren Stufen der Wertschöpfungskette der Batterieherstellung.

Ein praktisches Beispiel ist die Herstellung von Fahrzeugbatteriemodulen, die aus vielen einzelnen Zellen bestehen. Diese Batteriezellen werden durch eine wärmeleitende Paste mit dem Außengehäuse verbunden. Eine gleichmäßige Verteilung der Paste ist entscheidend, da schlecht bedeckte Stellen zu lokalen Überhitzungen und im schlimmsten Fall zu Bränden führen können.

Hier kommt die Ultraschalltechnik von Xarion ins Spiel. Der Laser tastet die Außenhülle des zu untersuchenden Objekts ab und analysiert die dabei entstehenden Schallwellen. So kann das Ultraschallsystem feststellen, ob sich unter der Oberfläche Luftblasen oder Fehlstellen in der Wärmeleitpaste, dem so genannten Gapfiller, befinden. Das Messsystem ist einseitig anwendbar, Anregung und Detektion sind entsprechend in einem Prüfkopf vereint, so dass auch fertig produzierte Module vermessen werden können.

Prüfprozess im Minuten- oder Sekundentakt automatisieren

Tobias Hötzer, Senior Projektmanager bei Xarion Laser Acoustics: „Ultraschall ist generell die bevorzugte zerstörungsfreie Prüftechnik für die Batterieprüfung. Mit ihr lassen sich dünnste Grenzflächen zwischen Flüssigkeiten und Gasen besonders gut beobachten. Auch durch dickere Schichten hindurch. Solche feinen Grenzflächen sind für andere Methoden wie die Computertomographie problematisch. Die Untersuchungszeit pro Zelle würde Stunden dauern, ganz zu schweigen vom Strahlenschutz.

Die Möglichkeit, die Verteilung der Paste unter der Oberfläche der Batteriemodule berührungslos mit Ultraschall zu prüfen, bietet die Chance, den Prüfprozess im Minuten- oder gar Sekundentakt zu automatisieren – ein unglaublicher Mehrwert für unsere Kunden. Ohne unseren berührungslosen Ansatz müssten beispielsweise Automobilhersteller regelmäßig ganze Module aus der Produktion nehmen und zerstörend prüfen, was mit immensen Kosten verbunden ist.“

Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Batteriezellen

Die zunehmende Abhängigkeit von Batterien stellt die Hersteller vor Sicherheits- und Kostenfragen. Die vollflächige und homogene Benetzung der Batteriezellen mit flüssigen Elektrolyten ist ein entscheidender Faktor für deren Lebensdauer und Zuverlässigkeit. So kann eine ungleichmäßige Verteilung des Elektrolyten innerhalb der Zelle zu Sicherheitsrisiken und langfristig sogar zu Kurzschlüssen führen. Auch aus wirtschaftlicher Sicht ist es sinnvoll, solche Zellen direkt bei der Befüllung zu prüfen, da so durch kleine Anpassungen im Fertigungsprozess der Ausschuss weiter reduziert werden kann.

Xarion hat zusammen mit der Manz AG, einem deutschen Automatisierungsunternehmen mit starkem Fokus auf die Batteriezellenproduktion, ein Ultraschallprüfsystem für Batteriezellen entwickelt. Bei diesem System wird die Zelle auf der einen Seite mit einem Laser beschossen und auf der anderen Seite nimmt das Xarion-Mikrofon das Ultraschallprofil auf.

Je nachdem, welche Materialien die Schallwelle auf ihrem Weg zum Mikrofon durchdringt, ändert sich das Schallprofil erheblich. Trockene Bereiche der Batteriezelle reflektieren den Schall, während mit Elektrolytflüssigkeit benetzte Bereiche den Schall leiten. So lassen sich zum Beispiel nicht benetzte Bereiche leicht identifizieren. „Wir haben hier vor allem durch die deutlich höhere Auflösung und Messgeschwindigkeit unserer Technologie einen Vorteil gegenüber herkömmlichen Systemen“, sagt Martin Fürst, Batteriezellenexperte bei Xarion.

Diese Batteriezellprüfanlage ist ein Stand-Alone-System, das sowohl für die Vorproduktion oder Entwicklung geeignet ist, aber auch hervorragend für die Inline-Prüfung eingesetzt werden kann. Es können Pouchzellen, prismatische Zellen und Rundzellen, also alle gängigen Zellgeometrien, geprüft werden.

Anwendung in der Luft- und Raumfahrt

Auch die Luft- und Raumfahrtindustrie ist auf qualitativ hochwertige Bauteile und deren Prüfung in der Produktion angewiesen. Im schlimmsten Fall geraten Flugzeughersteller durch negative Medienberichte über mangelhafte Fertigungsqualität in wirtschaftliche Schwierigkeiten. Flugzeughersteller und ihre Zulieferer sind daher ständig auf der Suche nach zuverlässigen Methoden, um die geforderte Qualität auch tatsächlich sicherzustellen.

Hier setzt die neue Puls-Echo-Technik des Xarion an. Dabei handelt es sich um ein einseitiges Prüfverfahren mit sehr hoher Auflösungsgrenze, mit dem das Flugzeugteil robotergestützt und berührungslos abgetastet werden kann. Das Verfahren ermöglicht die Ultraschallprüfung ganzer Flugzeugbauteile nahezu unabhängig von deren Kontur, Form und Größe. Aufgrund der geringen Größe der Prüfköpfe und der Berührungslosigkeit können auch schwer zugängliche Stellen problemlos auf Risse, Innenbohrungen oder Ablösungen geprüft werden.

Gerade in der Raumfahrtindustrie, beispielsweise bei der Produktion von Raketen- oder Satellitenteilen, ist der Einsatz von Ultraschallgel oder Wasser problematisch oder sogar verboten. Während herkömmliche Ultraschalltechnologien aus diesem Grund ausscheiden, bietet Xarion die Möglichkeit, Bauteile aller Art auf innere Fehler zu prüfen.

Standardisierte und modulare Laborscanner

Neben kundenspezifischen Sonderanlagen bietet Xarion auch schlüsselfertige LEAsys-Laborsysteme an. Dazu steht eine ganze Palette von standardisierten und modularen Laborscannern zur Verfügung. Diese sind nicht nur in Forschungs- und Entwicklungsabteilungen beliebt, sondern können auch als Atline-Stationen direkt in der Produktion eingesetzt werden. Verschiedene Baugrößen, Positioniersysteme und die für die jeweilige Anwendung optimalen Prüfköpfe können flexibel ausgewählt werden.

Diese flexiblen Systeme ermöglichen es den Kunden, selbst eigenständig Erfahrungen zu sammeln und spezifisches Know-how zu entwickeln. Ein entscheidender Vorteil für Unternehmen, welche die Qualität ihrer Produkte sicherstellen und gleichzeitig ihre Produktionsprozesse optimieren möchten, ohne sofort in vollständige Systemumstellungen investieren zu müssen. (heh)

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