[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Ultraschallprüfkopfes
mit einer Ultraschallwandleranordnung mit einer gekrümmten Sende- und Empfangsfläche.
[0002] Insbesondere aus Faserverbundwerkstoffen wie z.B. glasfaserverstärkten oder kohlefaserverstärkten
Kunststoffen (GFK bzw. CFK) hergestellte Werkstücke können bedingt durch das jeweils
gewählte Herstellungsverfahren eine hohe Porosität oder Delaminationen aufweisen.
Dies stellt insbesondere bei mechanisch hoch beanspruchten und sicherheitsrelevanten
Bauteilen ein erhebliches Problem dar.
[0005] Die bekannten Verfahren setzen allerdings voraus, dass die zu prüfenden Bauteile
eine ebene Oberfläche und eine dazu im wesentlichen parallele Rückwand aufweisen,
um ein auswertbares Rückwandecho zu erhalten. Ein besonderes Problem stellt jedoch
insbesondere die automatisierte Prüfung von Bauteilen in unebenen, fertigungstechnisch
bedingt besonders fehleranfälligen Bereichen, beispielsweise in gekrümmten Radienbereichen
dar. Um auch in diesen Bereichen verlässliche Prüfergebnisse zu erhalten, ist es nach
wie vor erforderlich, mit Einzelschwingerprüfköpfen eine manuelle Prüfung durchzuführen.
[0006] Um in diesen gekrümmten Bereichen eine weitgehend automatisierte Prüfung zu ermöglichen,
ist es grundsätzlich möglich, Prüfköpfe einzusetzen, die eine Ultraschallwandleranordnung
enthalten, die aus einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter Wandlerelemente aufgebaut
sind, und deren Sende- und Empfangsfläche an die gekrümmte Oberflächengeometrie des
Werkstückes angepasst ist. Die Herstellung einer solchen Ultraschallwandleranordnung
ist jedoch problematisch, da die in der Regel verwendeten piezoelektrischen Ausgangskörper
aus einem keramischen Verbundwerkstoff bestehen und in Form von ebenen Platten vorliegen,
die beim Biegen sehr leicht brechen. Die Gefahr eines Bruches ist insbesondere dann
hoch, wenn in den Ausgangskörper Nuten eingebracht worden sind, um auf diese Weise
eine aus einzelnen, akustisch weitgehend voneinander getrennten Wandlerelementen aufgebaute
Ultraschallwandleranordnung (Array) herzustellen.
[0007] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen eines
Ultraschallprüfkopfes mit einer Ultraschallwandleranordnung mit einer gekrümmten Sende-
und Empfangsfläche anzugeben, die aus einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter Wandlerelemente
aufgebaut ist, mit dem die vorgenannten Schwierigkeiten vermieden sind.
[0008] Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den
Merkmalen des Patentanspruches 1, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- a) eine den Außenabmessungen der Ultraschallwandleranordnung entsprechende piezoelektrische
ebene Platte wird mit einer ihrer Flachseiten auf eine Folie aus einem Polymer aufgeklebt,
- b) in die der Folie abgewandte Flachseite der piezoelektrischen Platte werden vor
oder nach dem Aufkleben auf die Folie Nuten eingebracht, deren Tiefe zumindest annähernd
der Dicke der Platte entspricht, so dass eine aus einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter
Wandlerelemente bestehende ebene Ultraschallwandleranordnung entsteht,
- c) anschließend wird die ebene Ultraschallwandleranordnung mit ihrer mit der Folie
verklebten Flachseite auf eine gekrümmte Auflagefläche einer Biegevorrichtung aufgebracht
und dort in eine gekrümmte Form gebogen.
[0009] Da sich die aus der piezoelektrischen Platte durch Einbringen von Nuten gebildete
Ultraschallwandleranordnung (Array) beim Biegevorgang auf einer Folie befindet, mit
der sie fest verklebt ist, ist ein Auseinanderbrechen der Ultraschallwandleranordnung
in lose Einzelteile selbst dann verhindert, wenn die am Nutgrund noch zusammenhängenden
Wandlerelemente beim Biegen an diesem Nutgrund auseinanderbrechen. Auf diese Weise
ist es problemlos möglich, für die jeweilige Prüfaufgabe optimierte Ultraschallprüfköpfe
herzustellen, deren Ultraschallwandleranordnungen eine an die jeweilige Oberflächenform
des zu prüfenden Bauteils angepasste Sende- und Empfangsflächen aufweisen.
[0010] Weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung
verwiesen. Es zeigen:
Fig. 1 bis 4 jeweils in einem schematischen Schnittbild in zeitlich aufeinanderfolgenden
Schritten wesentliche Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Ultraschallprüfkopfes
gemäß der Erfindung.
[0011] Gemäß Fig. 1 wird eine piezoelektrische Platte 2 mit einer ihrer ebenen Flachseiten
2a auf eine aus einem Polymer bestehende dünne Folie 4 aufgeklebt. Die Folie 4 besteht-im
Beispiel aus PVDF (Polyvinylidendifluorid) und ist typisch etwa 0,1 mm dick und dient
zugleich als λ/4-Anpassschicht, um die akustische Impedanz der aus einem piezokeramischen
Kompositmaterial bestehenden Platte 2 an ein in Prüfsituationen verwendetes Koppelmedium,
in der Regel Wasser, anzupassen. Die Dicke der Platte 2 selbst beträgt etwa 0,3 mm.
[0012] Auf ihrer der Platte 2 zugewandten Flachseite 6 ist die Folie 4 mit einer in der
Figur nicht dargestellten elektrisch leitfähigen Schicht versehen, deren Dicke im
SubmikrometerBereich liegt. Am Rand der Folie 4 ist ein elektrisch leitfähiger, beispielsweise
aus Silber bestehender Kontaktstreifen 8 aufgelegt, dessen Dicke nur wenige µm beträgt,
und der sich in einer zur Zeichenebene senkrechten Längsrichtung der Platte 2 bzw.
der Folie 4 erstreckt. Die piezoelektrische Platte 2 ist an ihren Flachseiten 2a,b
ebenfalls mit einer in der Figur nicht dargestellten elektrisch leitfähigen Schicht
versehen. Der Kontaktstreifen 8 dient in einem späteren Fertigungsschritt zum Anbringen
der Massekontaktierung.
[0013] Gemäß Fig. 2 wird nun die mit der elektrisch leitfähigen Folie 4 verklebte piezoelektrische
Platte 2 zur weiteren Bearbeitung auf einem Sägetisch 10 fixiert, beispielsweise auf
diesen lösbar aufgeklebt. In einem nächsten Arbeitsschritt werden nun ausgehend von
der der elektrisch leitfähigen Folie 4 gegenüberliegenden Flachseite 2b (Kontaktierungs-
oder Rückseite) der piezoelektrischen Platte 2 eine Mehrzahl von schmalen, etwa 50
µm breiten, sich senkrecht zur Flachseite 2b in das Innere der Platte 2 erstreckende
Nuten 12 durch Sägeschnitte eingebracht, die parallel zur Schmalseite der Platte 2
und parallel zur Zeichenebene verlaufen, und deren Tiefe t nahezu der Dicke d der
Platte 2 entspricht. Durch die Nuten 12 wird im Ausführungsbeispiel die Platte 2 in
eine Vielzahl von in einer senkrecht zur Zeichenebene sich erstreckende Längsrichtung
nebeneinander angeordneten Wandlerelementen 14 aufgeteilt, so dass eine lineare ebene
Ultraschallwandleranordnung 20 entsteht.
[0014] Parallel zu ihrer sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckenden Längsseite wird in
die piezoelektrische Platte 2 auf der Flachseite 2b in der Nähe ihres Randes eine
schmale Längsnut 16 eingebracht, die parallel zum Kontaktstreifen 8 in einem Abstand
a zum Rand der Platte 2 verläuft, der größer ist als die Breite b eines Bereiches
80, in dem der Kontaktstreifen 8 die Platte 2 kontaktiert. Auf diese Weise ist der
oberhalb des Kontaktstreifens 8 befindliche Teil der piezoelektrischen Platte 2 auf
der Kontaktierungsseite elektrisch von den Wandlerelementen 14 getrennt, so dass Störungen
des Schallfeldes im Bereich des Kontaktstreifens 8 vermieden sind. Der hierzu erforderliche
Sägeschnitt hat nur eine geringe, zur Kontakttrennung notwendige Tiefe, um ein Brechen
der Platte 2 an dieser Stelle zu vermeiden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
werden in diesem Fertigungsschritt sowohl der Kontaktstreifen 8 als auch die der Folie
4 gegenüberliegende Kontaktierungsseite eines jeden Wandlerelementes 14 mit Kontaktdrähten
21 aus Kupfer kontaktiert.
[0015] Grundsätzlich ist es auch möglich, in die Platte 12 die Nuten 12 und 16 einzubringen,
bevor diese mit der Folie 4 verklebt wird.
[0016] Nach Einbringen der Nuten 12 und der Längsnut 16 wird die Ultraschallwandleranordnung
20 vom Sägetisch 10 gelöst und zu einer in Fig. 3 veranschaulichten Biegevorrichtung
22 gebracht, deren Oberfläche eine im Beispiel konvexe Krümmung aufweist, die derjenigen
dementsprechend konkaven Krümmung entspricht, die eine Sende- und Empfangsfläche 23
der Ultraschallwandleranordnung 200 im Endzustand aufweisen soll. In der Figur 3 ist
nun eine Situation dargestellt, in der die Wandlerelemente 14 der Ultraschallwandleranordnung
200 auch im gebogenen Zustand noch zusammenhängen. Selbst wenn die Wandlerelemente
14 am Grund der Nuten 12 auseinander brechen, was sowohl ungewollt der Fall sein kann
als auch beabsichtigt sein kann, werden diese durch die Folie 4 gehalten, so dass
die Ultraschallwandleranordnung 200 nicht in Einzelelemente zerfällt.
[0017] Die gebogene Ultraschallwandleranordnung 200 wird nun aus der Biegevorrichtung 22
entnommen und gemäß Fig. 4 über eine Fertigungsvorrichtung 24 gespannt. In dieser
Fertigungsvorrichtung 24 wird über die Ultraschallwandleranordnung 200 passgenau ein
Gehäuseteil 26 geschoben und an der Fertigungsvorrichtung 24 befestigt. Ein zwischen
der Rückseite der Ultraschallwandleranordnung 200 und der Oberkante des Gehäuseteils
26 befindlicher Hohlraum 30 wird nun mit einer aushärtenden Dämpfungsmasse 32 ausgegossen.
Nach Aushärten der Dämpfungsmasse 32 wird die Ultraschallwandleranordnung 200 gemeinsam
mit dem Gehäuse 26 entnommen. Dieses wird mit einem Deckel verschlossen und der Ultraschallprüfkopf
ist nach Befestigung der Anschlusskabel fertiggestellt.
[0018] Anstelle der in Fig. 2 geschilderten Vorgehensweise können die Rückseiten der Wandlerelemente
14 sowie die in Fig. 3 nicht sichtbare Kontaktstreifen 8 auch in der Biegevorrichtung
22 oder in der Fertigungsvorrichtung 24 mit Kontaktdrähten 21 kontaktiert werden.
[0019] Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Herstellung einer konkav gekrümmten
Ultraschallwandleranordnung erläutert, bei der die Wandlerelemente nebeneinander entlang
einer gekrümmten Linie angeordnet sind (gekrümmtes lineares Array). Die Erfindung
ist jedoch grundsätzlich auch zur Herstellung konvex gekrümmter "linearer" Ultraschallwandleranordnungen
oder konvex oder konkav gekrümmter "zweidimensionaler" Ultraschallwandleranordnungen
(gekrümmtes matrixförmiges Array) geeignet.
1. Verfahren zum Herstellen eines Ultraschallprüfkopfes mit einer Ultraschallwandleranordnung
(200) mit einer gekrümmten Sende- und Empfangsfläche (23), die aus einer Mehrzahl
nebeneinander angeordneter Wandlerelemente (14) aufgebaut ist, umfassend folgende
Verfahrensschritte:
a) eine den Außenabmessungen der Ultraschallwandleranordnung entsprechende piezoelektrische
ebene Platte (2) wird mit einer ihrer Flachseiten (2a) auf eine Folie (4) aus einem
Polymer aufgeklebt,
b) in die der Folie (4) abgewandte Flachseite (2b) der piezoelektrischen Platte (2)
werden vor oder nach dem Aufkleben auf die Folie (4) Nuten (12) eingebracht, deren
Tiefe (t) zumindest annähernd der Dicke (d) der Platte (2) entspricht, so dass eine
aus einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter Wandlerelemente (14) bestehende ebene
Ultraschallwandleranordnung (20) entsteht,
c) anschließend wird die ebene Ultraschallwandleranordnung (20) mit ihrer mit der
Folie (4) verklebten Flachseite (2a) auf eine gekrümmte Auflagefläche einer Biegevorrichtung
(22) aufgebracht und dort in eine gekrümmte Form gebogen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Folie (4) auf ihrer der Platte (2) zugewandten
Flachseite elektrisch leitfähig beschichtet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Platte (2) eine Längsseite und eine
Schmalseite aufweist und bei dem zwischen die Platte (2) und die Folie (4) parallel
zur Längsseite und am Rand der Platte (2) ein elektrisch leitfähiger Kontaktstreifen
(8) eingelegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem zusätzlich zu den sich parallel zu den Schmalseiten
erstreckenden und die Trennung der Wandlerelemente (14) bewirkenden Nuten (12) auf
der der Folie abgewandten Flachseite (2b) der Platte (2) eine sich am Rand der Platte
(2) parallel zu ihrer Längsseite erstreckende Längsnut (16) in einem Abstand (a) zum
Rand der Platte (2) eingebracht, der größer ist als die Breite (b) eines Bereiches
(80), in dem der Kontaktstreifen (8) die Platte (2) kontaktiert.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Platte (2) beim Biegen
am Grund der Nuten (12) auseinandergebrochen wird.
6. Verfahren mach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden zusätzlichen Verfahrensschritten:
d) die gebogene Ultraschallwandleranordnung (200) wird in eine Fertigungsvorrichtung
(24) eingespannt, und spätestens in diesem Fertigungsstadium mit den Kontaktdrähten
(21) versehen,
e) über die kontaktierte gebogene Ultraschallwandleranordnung (200) wird anschließend
ein vorgefertigtes Gehäuseteil (26) geschoben und in der Fertigungsvorrichtung (24)
fixiert,
f) ein zwischen der der Folie abgewandten Flachseite (2b) der gebogenen Ultraschallwandleranordnung
(200) und der Oberkante (28) des Gehäuseteils (26) befindlicher Hohlraum (30) wird
mit einer aushärtenden Dämpfungsmasse (32) ausgegossen.