Wie Laser-Excited Acoustics automatisierte Prüfverfahren in Luft- und Raumfahrt, Verteidigungsindustrie und MRO praxistauglich macht
Jedes Flugzeug besteht aus vielen Bauteilen, die von außen makellos wirken – aber im Inneren Delaminationen, Bindefehler oder Porosität verbergen können. Genau diese Defekte aufzuspüren ist Aufgabe der zerstörungsfreien Prüfung, und das bedeutete über Jahrzehnte: langsame, manuelle Ultraschallinspektion. XARION Laser Acoustics ändert das nun grundlegend. Die Laser-Excited Acoustics (LEA)-Technologie des Wiener Unternehmens macht automatisierte Ultraschallprüfung in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Automobil, Verteidigung und MRO praktisch handhabbar – und schließt damit eine Lücke, die konventionelle Methoden bislang nicht füllen konnten.
Weder Wasser noch Kontakt – Eine Technologie für die Automatisierung
Kern der XARION-Prüflösungen ist die Laser-Excited Acoustics Technologie – ein trockenes, berührungsfreies Ultraschallverfahren, das einen gepulsten Laser zur Ultraschallanregung mit dem patentierten Optischen Mikrofon von XARION zur Detektion kombiniert. Anders als bei der konventionellen Ultraschallprüfung muss keine Sonde an das Bauteil gepresst werden, und es werden weder Wasser noch Gel als Koppelmedium benötigt.
Da LEA ohne physischen Kontakt und ohne Wasserkopplung auskommt, entfallen zwei der zentralen praktischen Hürden bei der Automatisierung der Ultraschallprüfung: die Notwendigkeit, eine definierte Kontakt- und Kopplungsbedingung zwischen Sensor und Bauteil aufrechtzuerhalten, sowie der gesamte Aufwand für die Wasserinfrastruktur. Das vereinfacht die Systemintegration erheblich und ermöglicht die Prüfung von Bauteilen mit komplexen Geometrien.
„Sie können sich vorstellen, dass das für viele unserer Kunden ein echter Wendepunkt ist“, sagt Dr. Balthasar Fischer, Gründer und CEO von XARION Laser Acoustics. „Weil unsere Technologie vollständig trocken und berührungsfrei arbeitet, lässt sie sich problemlos mit Robotern automatisieren – ohne Wasser, das im System gehandhabt werden müsste. Für einen Hersteller bedeutet das: günstigere Integration, niedrigere Betriebskosten und die Möglichkeit, Bauteile zu prüfen, die bisher nur schwer handhabbar waren.“
Das Ergebnis ist eine Ultraschallinspektionstechnologie, die besonders dort ihre Stärken ausspielt, wo Flexibilität, Automatisierbarkeit und einfacher Einsatz genauso wichtig sind wie die eigentliche Prüfleistung.
LEA im Einsatz: Bewährt im Aerospace-Bereich
In der industriellen Praxis wird die LEA-Technologie von XARION bereits zur Inspektion von Hubschrauber-Heckauslegern bei einem führenden europäischen Luft- und Raumfahrt-OEM eingesetzt. Diese großen CFK-Strukturen verbinden komplexe Geometrien mit einem Mix aus monolithischen und Wabenabschnitten innerhalb desselben Bauteils. Der entscheidende Faktor in dieser Anwendung ist die Zugänglichkeit: Schwer erreichbare Innenbereiche des Heckauslegers stellen eine besondere Herausforderung dar. Der kompakte, faseroptisch gekoppelte LEA-Prüfkopf lässt sich auf einer Roboterlanze montieren und in die Struktur einführen. So können auch Bereiche tief im Bauteilinneren automatisiert geprüft werden, wo der enge Innenraum kaum Platz lässt. Der berührungsfreie Betrieb von LEA macht eine zuverlässige automatisierte Inspektion dieser anspruchsvollen Luft- und Raumfahrtstrukturen möglich.
Die Technologie ist bereits in einer breiten Palette weiterer industrieller Prüfanwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und anderen Branchen im Einsatz. LEA eignet sich für die Prüfung von Verbundwerkstoffen, darunter CFK und GFK, ebenso wie für metallische Bauteile und komplexere Strukturkonfigurationen wie Klebeverbindungen und Sandwichstrukturen. Diese breite Anwendbarkeit erlaubt es Herstellern, ein vielfältiges Spektrum an Prüfaufgaben mit einer einzigen Technologieplattform abzudecken.
Die Vorteile von LEA beschränken sich dabei nicht auf die kompakte Sondendimension und verbesserte Zugänglichkeit. In vielen Anwendungen ist der Verzicht auf Wasserkopplung ebenso entscheidend. Besonders deutlich wird das bei der Prüfung offener Aluminium-Wabenstrukturen, die als Abrasivdichtungen in Strahltriebwerken eingesetzt werden. Bei solchen Bauteilen stößt die wassergestützte Prüfung an ihre Grenzen, weil der Wasserstrahl an den freiliegenden Wabenrändern gestreut wird und keine verwertbaren Ultraschalldaten mehr liefert. Da LEA ohne Wasserkopplung auskommt, umgeht es diese Einschränkung vollständig und ermöglicht die Prüfung von Strukturen, die mit konventionellen Ultraschallmethoden kaum zu erfassen sind.
Auch die Anforderung, täglich wechselnde Bauteiltypen in ein und derselben Produktionsumgebung zu prüfen, kennen viele Kunden gut. „Wir arbeiten mit Kunden, die viele verschiedene Waben- und Monolithstrukturen prüfen müssen – manchmal am selben Tag“, sagt Fischer. „Dass unsere Technologie ein breites Materialspektrum ohne jede Umrüstung abdeckt, ist für sie keine Selbstverständlichkeit. Früher erforderte jedes Bauteil einen völlig anderen Prüfansatz.“
Von großen Luft- und Raumfahrtproduktionssystemen bis hin zu anspruchsvollen Kleinstwabenanwendungen hat sich LEA in anspruchsvollen industriellen Umgebungen bereits vielfach bewährt.
Automatisierung jenseits der Produktionslinie: Die Lücke schließen
Konventionelle automatisierte Prüfsysteme arbeiten bei hohen Stückzahlen und gleichbleibenden Geometrien effizient – lassen sich aber bei kleinen Stückzahlen und häufig wechselnden Bauteiltypen nur schwer wirtschaftlich rechtfertigen. Kommt noch die Anforderung hinzu, mobil zu sein – also das System zum Bauteil zu bringen statt umgekehrt -, scheiden die meisten automatisierten Lösungen von vornherein aus. Das ist die Automatisierungslücke: Ein Großteil der Prüfarbeit in Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungssektor fällt genau in diese Kategorie und ist daher bis heute manuell geblieben.
XARIONs LEAbot ist darauf ausgelegt, genau das zu ändern. Auf einem kollaborativen Roboter (Cobot) montiert, bildet der LEA-Sensor eine kompakte und flexible Prüfzelle, die einfach zu bedienen ist. Sie lässt sich direkt zum Bauteil bringen – ob Rumpfhautfeld, Flügelvorderkante oder Steuerfläche – und ist innerhalb von Minuten scanbereit. Koppelmittel, Oberflächenvorbereitung und fest installierte Infrastruktur entfallen; das Inspektionssystem kann binnen Minuten für einen anderen Bauteiltyp umkonfiguriert werden.
„Wir sehen hier enormes Potenzial“, sagt Dr. Josef Pörnbacher, CTO von XARION Laser Acoustics. „Kleine Serien, wechselnde Bauteiltypen und die Anforderung, die Prüfung zum Bauteil zu bringen – das sind genau die Bedingungen, unter denen sich konventionelle Automatisierung nicht rechnet. Unser mobiles, trockenes und berührungsfreies System passt perfekt zu diesen Anforderungen – sowohl in der Produktion als auch im MRO-Bereich, also in der Wartung, Reparatur und Überholung.“
Im MRO-Bereich müssen Luftfahrzeuge in regelmäßigen Abständen über ihre gesamte Betriebszeit geprüft werden – oft über gemischte Flotten hinweg und an reparierten Abschnitten mit veränderten Geometrien. Genau das sind die Bedingungen, unter denen ein flexibles, mobiles System seine Stärken ausspielt. Durch die Automatisierung von Scan- und Auswerteprozess reduziert der LEAbot zudem den manuellen Aufwand erheblich: Qualifiziertes Personal prüft Bauteil für Bauteil nicht mehr von Hand, sondern überwacht das System, bewertet markierte Indikationen und trifft die abschließende Beurteilung.
Prüfberichte, Scandaten und Defektlokalisierungen werden automatisch und reproduzierbar erzeugt – was überall dort entscheidend ist, wo Prüfungen lückenlos nachweisbar sein müssen.
Pulse-Echo: Die optimale Lösung für Luft- und Raumfahrtanwendungen
LEA kann in mehreren Prüfmodi betrieben werden, was seine Vielseitigkeit über ein breites Anwendungsspektrum sicherstellt. Das Durchschallungsverfahren erfordert gleichzeitigen Zugang zu beiden Seiten des Bauteils. Das Pitch-Catch-Verfahren arbeitet von einer einzigen Seite aus und eignet sich gut zur Prüfung der Verbindung zwischen Wabenkernen und deren Deckschichten, liefert jedoch keine Tiefeninformation. Die Pulse-Echo-Methode arbeitet ebenfalls einseitig – und macht den entscheidenden Unterschied: Sie zeigt dem Prüfpersonal genau, in welcher Tiefe ein Befund liegt. In der Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigung ist diese einseitige Zugänglichkeit besonders wichtig, weil eingebaute Strukturen wie Flügelhautfelder, Rumpfhautfelder, montierte Baugruppen und Schweißbauteile meist nur von der Außenfläche her zugänglich sind.
Die Tiefeninformation aus der Pulse-Echo-Methode ist es, die sie in der Praxis so wertvoll macht. Bei Kohlefaserstrukturen ist sie direkt ausschlaggebend für die Reparaturentscheidung: Eine oberflächennahe Delamination kann durch lokales Ausbessern behoben werden, während ein Defekt in einer tragenden Lage einen umfangreicheren Eingriff oder gar einen Bauteilersatz erfordern kann.
„Mit Pulse-Echo erhalten wir aus einem einzigen Scandurchgang das vollständige Tiefenprofil des Bauteils“, erklärt Pörnbacher. „Wir können nicht nur sagen, dass eine Delamination vorhanden ist, sondern auch genau, in welcher Schicht sie liegt. Das ist die Information, die der Ingenieur für eine Reparaturentscheidung braucht – und etwas, das einseitig arbeitende, luftgekoppelte Systeme bisher schlicht nicht liefern konnten. Sie scheitern daran, weil das durch Luft zurückkehrende Signal extrem schwach ist und vom Nachschwingen des Wandlers überlagert wird. Unser Optisches Mikrofon ist empfindlich genug, um es zuverlässig zu detektieren.“
Der Pulse-Echo-Prüfkopf am LEAbot erfasst die Struktur vollständig; die in-house entwickelte LEAstudio-Software von XARION wandelt die Daten in klare visuelle Ergebnisse um. Bindefehler und Delaminationen werden auf einen Blick sichtbar – einschließlich ihrer genauen Position und Tiefe im Material.
Mit seinen LEA-Lösungen schließt XARION Laser Acoustics die Automatisierungslücke in der Ultraschallprüfung und ermöglicht praktische, skalierbare und automatisierte Prüflösungen für Luft- und Raumfahrt, Verteidigungsindustrie und MRO.
XARION Laser Acoustics GmbH präsentiert seine LEA-Prüfprodukte auf der diesjährigen ILA Berlin, der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung, vom 10. bis 14. Juni, in Halle A, an Stand 261. Das XARION-Team – Dr. Martin Wallner und Gregor Muthsam, MSc – steht vor Ort für Gespräche und projektspezifische Anfragen zur Verfügung.
Autor: DI Philipp Ziegler, Senior Application Engineer
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XARION Laser Acoustics GmbH wurde 2012 gegründet und entwickelt und produziert innovative, laserbasierte Akustiksensoren. Das patentierte Optische Mikrofon des Unternehmens ermöglicht berührungsfreie Ultraschallprüfung über einen breiten Frequenzbereich und ist ideal für hochauflösende Werkstoffprüfung und Inline-Prozessüberwachung. Die Lösungen von XARION bedienen Branchen, in denen Präzision, Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit entscheidend sind – darunter Luft- und Raumfahrt, Automobil, Mikroelektronik und Batterieherstellung. Mit über 30 internationalen Patenten und in enger Zusammenarbeit mit führenden Industriepartnern setzt XARION neue Maßstäbe in der ultraschallbasierten Qualitätssicherung.
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Insbesondere die Ultraschallprüfung bietet ausgezeichnete Möglichkeiten, verborgene Details im Inneren von Materialien aufzuspüren, ohne dass man sie von außen sehen könnte. Mit dem verstärkten Einsatz von Ultraschallprüftechnik in der Industrie erhoffen sich Unternehmen Kosteneinsparungen in der Produktion durch eine frühzeitige Erkennung von Ausschussteilen. Aber auch eine bessere Umweltbilanz durch eine drastische Reduktion von Energie- und Ressourcenaufwand rückt zunehmend in den Vordergrund.
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