Schallwellen können auf Oberflächen Eigenschaften verraten. Parameter wie Beschichtungsqualität oder Oberflächengüte von Bauteilen lassen sich mit Laser und Sensor zerstörungsfrei analysieren. In der Forschung und in einigen Industrielaboren ist diese laserinduzierte Oberflächenwellen-Spektroskopie bereits eine erprobte Messtechnologie.
Mit „LAwave“ präsentierte das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden jetzt auf der Qualitätssicherungsfachmesse Control die zweite Generation eines bedienungsfreundlichen Messgeräts, das den Durchbruch in die industrielle Praxis ermöglicht. „Diese Technologie ermöglicht es uns, Schichten und Oberflächen zerstörungsfrei, schnell und sehr genau zu untersuchen«, erklärt Projektleiter Dr. Stefan Makowski, der am Fraunhofer IWS die Gruppe für Schichtcharakterisierung leitet. „Mit LAwave gehen wir nun den Schritt zur Anwendung in der Industrie.“
Konkrete Felder finden sich beispielsweise im Automobilbau, in der Oberflächenbeschichtung und in der Mikroelektronik. So kann die Oberflächenwellen-Spektroskopie zum Beispiel Risse und Poren an thermisch gespritzten Oberflächen bewerten, ohne das Bauteil zu zerstören, wie es bei der herkömmlichen Querschliffuntersuchung üblich ist. In der Halbleiterindustrie lässt sich der Abtrag von Störschichten auf Siliziumoberflächen untersuchen. Auch für die Qualitätskontrolle von PVD-Schichten, wie beispielsweise verschleißfeste und reibungsmindernde Schichten aus diamantähnlichem Kohlenstoff auf Motorradketten und Motorenkomponenten, eignet sich die LAwave-Technologie.
„Diese Technologie ermöglicht es uns, Schichten und Oberflächen zerstörungsfrei, schnell und sehr genau zu untersuchen«
Großes Potenzial für den Schutz von Umwelt und Gesundheit eröffnet die LAwavegestützte Analyse von Bremsscheiben der neuesten Generationen: Die Fahrzeugindustrie überzieht die Stahlscheiben immer öfter mit speziellen Schichten aus Hartmetall, Keramik oder anderen Materialien, um Abrieb und Korrosion zu mindern. Zum einen soll dies dafür sorgen, dass Kfz und Motorräder die immer strengeren Feinstaubgrenzwerte im EU-Raum erfüllen. Anderseits beugen die Hersteller damit einem ungewollten Folgeeffekt des Umstiegs auf Elektroantriebe vor: Elektrische Fahrzeuge setzen oft nur die Motorbremse ein, um per Rekuperation ihre Batterien wieder aufzuladen. Die herkömmlichen Radbremsen nutzen sie seltener – und diese rosten dadurch schneller. Beide Probleme lassen sich durch die erwähnten Zusatzschichten stark mindern, allerdings noch nicht zerstörungsfrei prüfen.
Das Fraunhofer IWS hat die jahrzehntealte Technik und Software stetig weiterentwickelt, verbessert und das Design gemeinsam mit Partnern bedienungsfreundlicher gestaltet. Dazu trug eine Kooperation zwischen dem Fraunhofer IWS und der Professur für Technisches Design an der Technischen Universität Dresden (TUD) bei. Aktuell werden weitere technologische Verbesserungen entwickelt, die LAwave neue Anwendungsfelder erschließen. Beispielsweise kann künstliche Intelligenz die Analysequalität noch einmal deutlich verbessern. Außerdem steht ein mobiler LAwave-Messkopf auf der Agenda. Er soll die Oberflächenanalyse innenbeschichteter Rohre oder Walzen sowie anderer besonders schwerer, großer oder komplex geformter Maschinenkomponenten ermöglichen, die sich nicht in ein Standgerät einspannen lassen.
LAwave auf einen Blick
Forschende in Dresden haben über Jahrzehnte ein raffiniertes Prinzip entwickelt: Sie verwenden einen speziellen Laser, um unhörbare Schallwellen auf der Oberfläche eines Bauteils zu erzeugen. Durch die Übertragung von Frequenzen mit hoher Bandbreite über das Werkstück breiten sich die Wellen in verschiedenen Tiefen im Material mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Sensoren an der Oberfläche zeichnen auf, wie schnell die Wellen ankommen, und eine Spezialsoftware wertet die gesammelten Messwerte aus. Die resultierende Signatur liefert Informationen über die mechanischen Eigenschaften und Fehler des Werkstücks, wie Risse, Poren oder Fremdatome.
