3D-Druck: Laserultraschall spürt Defekte auf

University of Osaka entwickelt Prüfverfahren, mit dem berührungslos in additiv gefertigte Bauteile geblickt werden kann.

Mithilfe von Laserultraschall ist es Ingenieuren der University of Osaka gelungen, Materialfehler im Inneren von Objekten zu erkennen, die mittels 3D-Druck 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 einzuschmelzen sind.

Oberfläche muss nicht glatt sein

Bisher war es nicht möglich, die Qualität von Bauteilen mit komplex geformten Oberflächen mittels 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, etwa bei Schwangeren. Ist die Oberfläche des Objekts nicht glatt, so gibt es keine Möglichkeit, die Schwingungen hineinzubringen. Der gepulste Laser schafft das jedoch berührungslos.

Erfolgreiche Tests im Labor

Das Team unter der Leitung von Takahiro Hayashi hat zur Überprüfung des Verfahrens ein winziges Loch in eine Aluminiumplatte gebohrt. Darauf befestigte der Experte eine dünne, fehlerfreie Aluminiumplatte. Dann scannte das Team die Probe mit einem Laserstrahl und erfasste die daraus resultierenden Ultraschallvibrationen anhand der Lichtreflexe. Deren mathematische Verarbeitung machte die Fehlstelle im Untergrund sichtbar.

500-µm-Macken entdeckt

„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. Fortgeschrittene Tests an einer 3D-gedruckten Legierung, die üblicherweise als Benchmark in der Forschung verwendet wird, haben gezeigt, dass wir Defekte erkennen können, die nur 500 µm groß sind“, erklärt Hayashi.

Vielfältige Anwendungen

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.