In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung spielt die Automatisierung der Prüf- und Auswerteprozesse eine immer entschiedenere Rolle. Ziel ist es die Prozesse zu beschleunigen, Personal gewinnbringender einzusetzen und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu erhöhen. Hierfür gibt es viele unterschiedliche Ansätze von teil- bis vollautomatisierten Systemen in der Prüfung, aber auch in der Auswertung. Ziel der Präsentation ist es, einen Überblick über unterschiedliche Anwendungen, die dazugehörigen Anforderungen an die ZfP und die realisierten Lösungen näher zu bringen. Hierzu werden Beispiele aus der Industrie, Windkraft und Luftfahrt aufgearbeitet und dargestellt. Eine Präsentation aus der Praxis.

Ein innovatives, millimeterwellenbasiertes Messsystem der Firma Hammer IMS erfasst berührungslos und flächig das Flächengewicht von Vliesstoffmaterialien in einer Anlage der Technischen Hochschule Augsburg. Es ersetzt die bisher eingesetzte Bandwaage, die lediglich eindimensionale Punktmessungen erlaubt und damit lokale Inhomogenitäten im Material nicht abbilden kann. Die flächige, hochaufgelöste Datenerfassung eröffnet neue Möglichkeiten für eine datengetriebene Prozessanalyse und -optimierung. Insbesondere sollen KI-gestützte Anwendungen wie Qualitätsprognosen und automatische Prozessregelungen realisiert werden. Der Vortrag behandelt den technologischen Aufbau, die Integration des Systems sowie dessen Leistungsgrenzen – etwa im Hinblick auf Materialeigenschaften, Messauflösung und Umgebungsbedingungen. Im Mittelpunkt steht das Potenzial millimeterwellenbasierter Messtechnik für eine Industrie-4.0-konforme Produktion und deren realistische Einordnung.

"Träume sind Schäume, oder sind sie das wirklich für Terahertz...?"
Festschäume sind eine Klasse von leichten zellulären technischen Werkstoffen. Bei ausreichend hohen Zellauflösungen können Schäume als kontinuierliche Materialien behandelt werden und werden als zelluläre Feststoffe mit vorhersehbaren Eigenschaften bezeichnet. Die Analyse von Festschäumen mit THz dient dem Bereich der Qualitätssicherung.
Schaumstoffe sind allgegenwärtig. Sie sind in unendlich vielen Produkten enthalten, die uns umgeben, von der Matratze, die uns einen guten Schlaf garantiert, über die Unterstützung in Sitzen, die Schalldämmung in Autos bis hin zum Modellieren mit festen Schaumstoffen von Prototypenfahrzeugen. Somit gibt es eine inhärente Qualitätsanforderung an den spezifischen Schaumstoff, der während der Produktion hergestellt wird, dessen Anforderung mit der Verwendung des Schaums zusammenhängt.
Die THz-Technologie bietet eine berührungslose Methode zur Erkennung von internen Defekten wie Lunkern, Rissen und Einschlüssen sowie zur Überwachung der Produktkonsistenz und -dichte.
Für viele Anwendungen ist die konventionelle oder digitale Radiographie die offensichtliche Wahl, aber dies hat einige kritische Einschränkungen, insbesondere die Notwendigkeit, auf beide Seiten einer Probe zuzugreifen, und die Sicherheits- und Regulierungsprobleme, die mit der Verwendung ionisierender Strahlung in öffentlichen Räumen verbunden sind. Niederfrequente elektromagnetische Methoden wie Mikrowellen- und Terahertz-Untersuchungen vermeiden diese Probleme.
Diese Präsentation befasst sich mit Terahertz-Methoden, die im Allgemeinen als Frequenzen von 100 GHz und höher definiert werden. Diese können nichtleitende Schichten durchdringen und geben nützliche Informationen über die innere Struktur.
In dieser Präsentation wird die Technologie kurz überprüft und Beispiele für ihre Verwendung bei der Untersuchung von Schaum in Bezug auf Dichte, Dicke und Zusammensetzung der inneren Schichten und Strukturen vorgestellt.

Zum Schutz oder zur Veredelung werden viele Werkstoffe gezielt beschichtet, wobei die Beschichtungen in zunehmendem Maße als Mehrschichtsystem aufgetragen werden. Solche Werkstoffbeschichtungen erfordern während oder nach dem Beschichtungsprozess eine Kontrolle hinsichtlich Materialeinsatz und Funktionalität. Dazu wird ein Messsystem benötigt, welches auch die Einzelschichtdicken innerhalb eines Mehrschichtsystems zerstörungsfrei, berührungslos und ohne Gefährdung des Benutzers ermitteln kann. Die Terahertz-Technologie hat in zahlreichen Tests bewiesen, dass sie eine eignete Technik zur Vermessung solcher Mehrschichtsysteme im technisch interessanten Dickenbereich von 10 – 200 μm ist.
Für den Einsatz im industriellen Umfeld müssen jedoch weitere Anforderungen erfüllt werden. Zur Integration in den Produktionsprozess muss gezeigt werden, dass der Sensor mittels Roboter positioniert werden kann. Ferner gibt es im kontinuierlichen Produktionsprozess immer Lagetoleranzen, so dass sich die Probe zur Messung nicht immer an der gleichen Stelle liegt. In einer Produktionshalle sind durch die Vielzahl an Maschinen immer Vibrationen vorhanden, den Messprozess stören. Ein Messsystem muss mit diesen Störgrößen umgehen können. Zu diesem Zwecke wurde das Terahertz- Messsystem mit zusätzlicher Sensorik ausgestattet. In mehreren Feldversuchen in Produktionsstätten der Automobilindustrie wurde die Einsatzfähigkeit erfolgreich demonstriert.
Basierend auf diesen Erkenntnissen erfolgte 2020 die weltweit erste industrielle Installation im Volkswagen Werk Navarra. Seitdem sind weitere Installation weltweit gefolgt.
In dieser Präsentation werden das Messsystem und der Einsatz der zusätzlichen Sensorik sowie die Ergebnisse der Feldversuche und der Installationen vorgestellt

Im Zusammenhang mit der energetischen Ertüchtigung von Gebäudehüllen kommen seit Jahren mehrschichtige Außenwandkonstruktionen zum Einsatz. Häufig wurden solche Konstruktionen an Bestandsbauten mangelhaft dimensioniert, mit den falschen Materialkombinationen errichtet oder unsachgemäß ausgeführt, so dass oft Feuchteschäden im Inneren der Bauteile an den Grenzen der verschiedenen Baustoffe auftreten. Zu deren Erkennung besteht ein großer Marktbedarf an zerstörungsfreier Materialfeuchtemessung in Mehrschichtaufbauten, der in den kommenden Jahren noch wachsen wird, ohne dass es bisher eine zerstörungsfrei arbeitende technische Lösung dafür gab.
Einen für derartige Aufgabenstellungen sehr gut geeigneten Lösungsansatz bietet das Mikrowellen-Rasterfeuchtemessverfahren mit Sensoren verschiedener Eindringtiefen. Diese werden bei gleicher Messfrequenz möglich durch unterschiedliche elektromagnetische Wirkprinzipien der eingesetzten Mikrowellen­applikatoren. Dem liegt zugrunde, dass sich für jeden Mikrowellenapplikatortyp gemäss seiner Feldgeometrie oder Abstrahlungscharakteristik die Abnahme des elektrischen Feldes in Abhängigkeit vom Abstand in Richtung der Flächennormalen zur Applikatorfläche, d.h. in der jeweiligen Tiefenstufe, unterschiedlich auswirkt.
Bisher stellte das oszillierende Verhalten des Reflexionsfaktors in Abhängigkeit von der Schichtdicke eine Einschränkung des reflektiven Mikrowellenverfahrens zur Feuchtemessung in Schichtaufbauten dar, da dieser Effekt zu Mehrdeutigkeiten bei der Auswertung der Messungen führen kann.
Für die Lösung dieses Problems konnte nun ein neuer vielversprechender Ansatz gefunden werden, der auf der dielektrischen Modellierung realer Schichtaufbauten und Bauteilkonstruktionen beruht. Dabei werden die in Frage kommenden Schichtaufbauten hin­sichtlich der Abfolge der einzelnen Schichten, deren dielektrischer Eigenschaften und Dicken charakterisiert. Zur praktischen Umsetzung dieses Modells wurden Permittivitäten verschiedener Baustoffe messtechnisch ermittelt und fanden Eingang in Modelle realer Schichtaufbauten. Mit deren Hilfe konnte der Einfluss der Materialfeuchte in ausgewählten Schichten rechnerisch abgeschätzt und durch Messungen bestätigt werden.
Das Prinzip der dielektrischen Modellierung von Schichtaufbauten beschränkt sich aber nicht nur auf Anwendungen im Bauwesen. Es ist universell einsetzbar und kann u.a. angewendet werden bei der Feuchtemessung in Isolierungen von Rohren und pipelines und in Sandwich-Konstruktionen.

Die industrielle Fertigung und Logistik stehen vor der Herausforderung, die Produktqualität und -sicherheit zu gewährleisten. Um diese Herausforderung zu meistern, präsentieren wir eine innovative Lösung, die auf die Kombination von Mikrowellenbildgebung und künstlicher Intelligenz setzt. Durch die automatische Erkennung von Mustern und Anomalien in hochauflösenden 3D-Bildern kann die Genauigkeit und Robustheit der Detektion signifikant verbessert werden.

Der modulare Ansatz der vorgestellten Lösung ermöglicht eine flexible Anpassung an unterschiedliche Anforderungen, um optimale Ergebnisse in verschiedenen Messumgebungen zu erzielen. Im Vergleich zu konventionellen Prüfverfahren bietet die KI-basierte Millimeterwellenprüfung eine neue Dimension der Qualitätskontrolle, indem sie die Grenzen der Oberflächenprüfung überwindet und Fehler und Anomalien zuverlässig erkennt. Durch die Auswahl aus verschiedenen Machine Learning-Ansätzen, wie Supervised, Semi-Supervised oder Unsupervised Learning, kann die Detektionswahrscheinlichkeit maximiert und gleichzeitig die Fehlerrate minimiert werden.

Ein weiterer Vorteil der präsentierten Lösung ist die Möglichkeit einer 100%-Kontrolle, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Stichprobenprüfungen darstellt. Praktische Machbarkeitsstudien bestätigen das enorme Potenzial unserer Technologie, die Qualitätskontrolle in der industriellen Fertigung und Logistik zu revolutionieren und neue Möglichkeiten zur Überwachung und Steuerung von Produkten und Prozessen zu eröffnen. Durch die Kombination von Mikrowellenbildgebung und KI-basierten Auswertungen können wir unseren Kunden eine zuverlässige und effiziente Lösung anbieten, um ihre Produktqualität und -sicherheit signifikant zu verbessern.

Wir berichten über Design und Implementierung zweier Terahertz-FMCW-Prüfsysteme (FMCW: frequency-modulated continuous wave), für die zerstörungsfreie Prüfung bei der industriellen Fer-tigung von glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen (GFK) in Form von Radomen. Einerseits ein vollelektronisches Terahertz-FMCW-Radar für die volumetrische Bildgebung zur Defekterkennung und andererseits ein ultrabreitbandiges, optoelektronisches Terahertz-FMCW-System für die kom-binierte Prüfung von Farb- und Verbundwerkstoffschichten. Das vollelektronische FMCW wurde bereits erfolgreich in die robotergesteuerte, maschinelle Radomfertigung integriert und kombiniert zwei FMCW-Sensoreinheiten mit benachbarten Frequenzbereichen von 70 bis 110 GHz bzw. 110 bis 170 GHz, um zusätzliche Flexibilität bei der Frequenzauswahl bzw. erhöhte Tiefenauflösung durch Datenfusion zu erzielen. Das optoelektronische Terahertz-FMCW-System wurde als handge-führtes Inspektionssystem für die manuelle Qualitätskontrolle der Lackierung von GFK-Radomen mit der Möglichkeit der gleichzeitigen Inspektion der GFK-Kompositschichten mit demselben Sys-tem entwickelt. Hier erreichen wir Genauigkeiten der Schichtmessung von wenigen Mikrometern für Gesamtdicken von mehreren hundert Mikrometern bis zu einigen Millimetern bis Zentimetern.

Ultraschall ist ein etabliertes, sehr leistungsfähiges Verfahren, aber bei der Prüfung von Bauteilen aus glasfaserverstärktem Kunststoff stößt es an Grenzen. Das hat drei Gründe. Erstens sind Bauteiloberflächen oft gekrümmt und/oder uneben, was die Ankopplung schwierig macht. Zweitens erhöhen Fasern im Bauteil sehr stark die Dämpfung von Ultraschallsignalen und drittens zeigen laminierte Bauteile u. a. Delaminationen, die eine Wanddickenmessung mit Ultraschall verunmöglichen können.

Delaminationen sind für Ultraschall ein physikalisches Grundproblem, da die Schallkennimpedanz von GFK-Laminat sehr viel größer ist als die von Luft (ca. 4 Größenordnungen). Daher kommt es bei einer Delamination im Inneren des GFK zu einer fast 100%-igen Reflexion des Ultraschalls. Eine solche Delamination kann z. B. nicht unterschieden werden von einer korrosions- oder erosionsbedingten Verkleinerung der Wanddicke eines GFK-Bauteils.

Ganz anders sieht es aus bei der Verwendung eines millimeterwellenbasierten FMCW-Radars. Abgesehen von den praktischen Vorteilen dieses Verfahrens, das kein Koppelmedium benötigt, ergibt sich ein entscheidender physikalischer Vorteil. Da sich die optischen Brechungsindizes im Millimeterwellenbereich für GFK (ca. 2) und Luft (ca. 1) nicht sehr stark unterscheiden, ergibt sich nur eine ca. 30%-ige Reflexion. Die Millimeterwelle setzt sich also jenseits der Delamination fort und erlaubt weiterhin den Nachweis eines Rückwandechos. So kann zwischen einer Delamination im Inneren und einer korrosions- oder erosionsbedingten Verkleinerung der Wanddicke unterschieden werden.

Die zerstörungsfreie Terahertz-Prüfung (ZfP) hat ihren Weg in industrielle Anwendungen gefunden, insbesondere in Produktions- und Fertigungsumgebungen und ermöglicht eine volumetrische Inspektion der zu prüfenden Objekte, z. B. zur Qualitätskontrolle von Produkten oder zur Prozessoptimierung. Insbesondere in Produktionsszenarien, in denen (zerstörende) Stichprobenprüfungen nicht durchführbar (z. B. aufgrund geringer Stückzahlen und hoher Kosten pro Produkt) oder nicht ausreichend sind (weil jedes Produkt in einem individuellen Qualitätskontrollprozess zertifiziert werden muss). Sie kann in den verschiedenen Phasen entlang Lebenszyklus – Produktion, Service und Reparatur angewandt werden.
Ein Anwendungsbereich ist die Herstellung von Tankstrukturen für Trägerraketen in der Raumfahrt. Bei der Herstellung entsprechender Strukturen werden Verbundwerkstoffe eingesetzt, deren strukturelle Integrität gewährleistet werden muss.
Die rotationssymmetrische Form der Tanks ermöglicht eine effiziente Abtastung der gesamten Oberfläche mit einer linearen Sensorbewegung entlang der Rotationsachse der auf einer Drehachse montierten Tanks. Ähnliche Messgeometrien haben sich in früheren Implementierungen für die Terahertz-ZfP bewährt [1,2].
Für die Inspektion haben wir zwei verschiedene Messverfahren gewählt. Einerseits bietet das vollelektronische Terahertz-FMCW-Radarsystem (frequenzmodulierte kontinuierliche Welle) eine hervorragende Eindringtiefe und einen guten Bildkontrast. Andererseits bietet die Terahertz-TDS (Time-Domain-Spektroskopie) eine erweiterte Messbandbreite, die im Vergleich zu wellenleiterbasierten Terahertz-FMCW-Radargeräten eine deutlich höhere räumliche Auflösung ermöglicht, allerdings bei meist verringerter Eindringtiefe.
In unserem Beitrag stellen wir die ersten erfolgreichen Terahertz-ZfP-Prüfung an Trägerraketen-Tankstrukturen vor, die mit den beiden oben genannten Messtechnologien durchgeführt wurden. Das Messsystem kann vollständig in den Herstellungsprozess integriert werden und eine Qualitätskontrolle jedes einzelnen Tanks während des Herstellungsprozesses ermöglichen.

[1] F. Friederich et al. "Terahertz Radom Inspection", Photonics, vol. 5, no. 1, p. 1, Jan. 2018
[2] M. Bauer et al., "Fast FMCW Terahertz Imaging for In-Process Defect Detection in Press Sleeves for the Paper Industry and Image Evaluation with a Machine Learning Approach," Sensors, vol. 21, no. 19, p. 6569, Sep. 2021