DE102013003498A1

DE102013003498A1 - Verfahren zur Herstellung einer ferromagnetisches Material aufweisenden, kammartig ausgebildeten Tragstruktur für eine HF-Spulenanordnung

Info

Publication number: DE102013003498A1
Application number: DE201310003498
Authority: DE
Inventors: Ralf Tschuncky; Gerhard Hübschen; Fabian Weber
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: DE102013003498B4

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung einer ferromagnetisches Material aufweisenden, kammartig ausgebildeten Tragstruktur für eine HF-Spulenanordnung, die Teil einer Einrichtung zur koppelmittelfreien Ein- und/oder Auskopplung von Ultraschallwellen in ein und/oder aus einem Werkstück ist, die wenigstens vier eine gemeinsame Tragstrukturoberfläche eines Tragstrukturkörpers in z-Richtung eines zuordenbaren kartesischen Koordinatensystems (x, y, z) überragende, rippenartig ausgebildete Kammelemente aufweist, die jeweils eine lateral zur Tragstrukturoberfläche in y-Richtung orientierte Kammlängserstreckung aufweisen sowie jeweils paarweise einen quer zur Kammlängserstreckung sowie lateral zur Tragstrukturoberfläche in x-Richtung freien, nutförmigen Zwischenraum begrenzen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Vielzahl identisch ausgebildete Kammstrukturenstreifen bereitgestellt wird, die jeweils über eine einheitliche in y-Richtung orientierte Streifendicke (d) verfügen und die wenigstens vier rippenartig ausgebildete Kammelemente aufweisen, die jeweils eine in y-Richtung orientierte Kammlängserstreckung in der Größe der Streifendicke (d) besitzen sowie jeweils paarweise einen in x-Richtung freien, nutförmigen Zwischenraum begrenzen, dass die Vielzahl der Kammstrukturstreifen in Kammlängserstreckung, d. h. in y-Richtung, derart nebeneinander angeordnet wird, so dass wenigstens zwei in y-Richtung unmittelbar benachbarte Kammstrukturstreifen in x-Richtung einen räumlichen Versatz Δx aufweisen, und dass die Vielzahl der nebeneinander angeordneten Kammstrukturstreifen zu einem festen Verbund zum Erhalt der kammartig ausgebildeten Tragstruktur gefügt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer ferromagnetisches Material aufweisenden, kammartig ausgebildeten Tragstruktur für eine HF-Spulenanordnung, die Teil einer Einrichtung zur koppelmittelfreien Ein- und/oder Auskopplung von Ultraschallwellen in ein und/oder aus einem Werkstück ist, die wenigstens vier eine gemeinsame Tragstrukturoberfläche eines Tragstrukturkörpers in z-Richtung eines zuordenbaren kartesischen Koordinatensystems (x, y, z) überragende, rippenartig ausgebildete Kammelemente aufweist, die jeweils eine lateral zur Tragstrukturoberfläche in y-Richtung orientierte Kammlängserstreckung aufweisen sowie jeweils paarweise einen quer zur Kammlängserstreckung sowie lateral zur Tragstrukturoberfläche in x-Richtung freien, nutförmigen Zwischenraum begrenzen.
Stand der Technik
Elektromagnetische Ultraschallprüfköpfe, kurz EMUS-Prüfköpfe, werden zur zerstörungsfreien Untersuchung oder Vermessung von wenigstens elektrisch leitende und/oder elektromagnetische Materialanteile aufweisende Prüfobjekte oder Werkstücke eingesetzt und vermögen koppelmittelfrei elastische Wellen innerhalb des jeweils zu untersuchenden Prüfobjektes bzw. Werkstückes zu erzeugen sowie auch zu detektieren. Insbesondere zur Anregung und zum Nachweis von sich parallel zur Werkstückoberfläche ausbreitenden, so genannten Rayleigh-Ultraschallwellen sowie auch von vertikal polarisierten Transversalwellen, so genannte SV-Wellen, in ferromagnetischen Werkstücken bedarf es der lokalen Überlagerung hochfrequenter Wirbelströme und den damit erzeugten HF-Magnetfelden mit einem stationären oder quasi stationären Magnetfeld innerhalb des zu untersuchenden Werkstückes. Zu Zwecken einer möglichst verlustfreien Einkopplung der Wirbelströme bzw. von HF-Magnetfeldern in das Werkstück ist eine möglichst raumnahe Anbringung einer HF-Spulenanordnung an der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes geboten. Zur Schadensvermeidung bedingt durch unmittelbaren Kontakt der HF-Spulenanordnung mit der Werkstückoberfläche sind EMUS-Wandler bekannt, die über eine aus ferromagnetischem Material bestehende, kammartig ausgebildete Tragstruktur verfügen, um deren rippenartigen Kammelemente wenigstens ein Spulendraht der HF-Spulenanordnung gelegt ist, so dass die HF-Spulenanordnung zur Werkstückoberfläche beabstandet und geschützt in den Zwischenräumen der rippenartig ausgebildeten Kammelementen angeordnet bleibt.
Der Wicklungssinn bzw. das Verlegemuster, mit dem wenigstens ein Spulendraht um jeweils benachbart zueinander angeordnete Kammelemente gelegt ist, gewährleistet, dass über jeweils zwei benachbarte Kammelemente Wirbelströme bzw. HF-Magnetfelder mit entgegengesetzter Stromfluss- bzw. Magnetfeldlinienrichtung in das Werkstück eingekoppelt werden, wobei die von den jeweils ein Kammelement umschlingenden Spuledrahtwindungen erzeugten Hochfrequenzmagnetfelder durch die ferromagnetischen Kammelemente weitgehend verlustfrei in das zu untersuchende Werkstück eingeleitet werden. Aus diesem Grunde gilt es, die kammartig ausgebildete Tragstruktur aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität, möglichst geringer elektrischer Leitfähigkeit und möglichst hoher Sättigungsinduktion, zu wählen. In an sich bekannter Weise eignen sich für die Ausbildung derartige Tragstrukturen dünne Transformatorenbleche, kurz Trafobleche, die zu einem Stapelverbund gefügt sind und die einseitig über eine entsprechende kammartig ausgebildete Oberflächenstruktur verfügen. Die Blechdicke der einzelnen Trafobleche beträgt typischerweise 0,1 mm. Zur Herstellung der einzelnen rippenartig ausgebildeten Kammelemente bedarf es einer besonderen Bearbeitungstechnik, zumal bedingt durch die Klebung der einzelnen Trafobleche zu einem Blechstapelblock der Einsatz von an sich bekannten, spanenden Bearbeitungstechniken, wie beispielsweise Fräsen oder Sägen, eine zusätzliche, den Blechstapelblock umfassende mechanische Einspannung bedarf, um ein Zerbersten des Blechstapelblocks zu verhindern. Eine derartige Einspannung stellt jedoch verfahrenstechnisch schwierig zu überwindende Probleme dar. Ferner wären zum Einbringen entsprechender Vertiefungen bzw. Nuten innerhalb einer Oberfläche des Blechstapelblocks mittels Zerspanungstechnik entsprechend klein dimensionierte Werkzeuge erforderlich, die wiederum keine Standardwerkzeuge darstellen. Typische Strukturdimensionen der einzelnen Kammelemente liegen im Millimeterbereich und darunter liegen, zumal durch die geometrische Ausbildung und Anordnung der Kammelemente die Wellenlänge der innerhalb des Werkstückes zu generierenden Ultraschallwellen bestimmt wird.
Eine technisch beherrschbare Technologie zur Herstellung von Kammelementen mit den gewünschten Dimensionen an einem Blechstapelblock stellt die so genannte Drahterosion dar, die jedoch aufgrund der prozessbedingten Geradlinigkeit der gespannt verlaufenden und die Strukturen erzeugenden Drähte geradlinig und parallel zueinander verlaufen.
Derartige, kammartig strukturiert ausgebildete Tragstrukturen 1 sind in den 2a und 2b illustriert. Es sei angenommen, dass die in den 2a und 2b gezeigten kammartig ausgebildeten Tragstrukturen 1 aus einem Stapelverbund einzelner miteinander verklebter Trafobleche bestehen, die in y-Richtung des ebenfalls illustrierten kartesischen Koordinatensystems, die der Stapelrichtung entspricht, miteinander verklebt sind. Die Trafobleche sind gleichförmig rechteckig und verfügen über eine einheitliche Blechdicke von etwa 0,1 mm, sodass der aus diesen Trafoblechen initial zusammengesetzte Blechstapelblock eine Quaderform besitzt, deren eine Oberfläche zur Herstellung der Kammstruktur es gilt entsprechend zu bearbeiten.
Zur Herstellung der Vielzahl über die Tragstrukturoberfläche 2 in z-Richtung erhabenen, einzelnen Kammelemente 3 wird im Wege der Drahterosion ein geradlinig gespannter Draht materialabtragend in den Trafoblechstapel, wie vorstehend beschrieben, abgesenkt, ohne dabei den Fügeverbund zwischen den einzelnen miteinander verklebten Trafoblechen zu beeinträchtigen. Sowohl die Kammelementbreite b sowie auch die Weite w des freien, nutförmigen Zwischenraumes 4 zwischen zwei benachbart verlaufenden Kammelementen 3, bestimmen die so genannte Spurwellenlänge λ_s der innerhalb eines zu untersuchenden Werkstückes erzeugbaren Ultraschallwellen. So bemisst sich bei geeigneter Umwicklung der einzelnen Kammelemente 3 mit einer Hochfrequenz-Spulenanordnung, die in den 2a und 2b nicht dargestellt ist, die Spurwellenlänge λ_s durch den Abstand zweier Kammelemente, die jeweils mit einer HF-Spulenumwicklung versehen ist, die gleichsinnig von Strom durchflossen wird. Im Falle von mit jeweils abwechselnder Stromflussrichtung durchflossenen HF-Spulen, die jeweils um zwei in x-Richtung benachbarte Kammelemente 3 umwickelt sind, bemisst sich die Spurwellenlänge λ_s durch den Abstand zweier Kammelemente 3, zwischen denen jeweils ein Kammelement angeordnet ist (siehe 2a, 2b). Da die in 2a dargestellte kammartig ausgebildete Tragstruktur 1 schmälere Kammelemente 3, die jeweils einen engeren Zwischenraum 4 begrenzen, als im Falle der in 2b dargestellten Tragstruktur 1 besitzt, ist die mit der in 2a dargestellten Tragstruktur erzeugbare Wellenlänge λ_S der in ein Werkstück abstrahlbaren Ultraschallwellen kleiner als im Falle der Tragstruktur in 2b. Typische Dimensionierungen derartig kammartig ausgebildeter Tragstrukturen 1 ermöglichen die Erzeugung von Spurwellenlängen λ_S im Millimeterbereich und darunter, d. h. typischerweise bis hinab zu einigen wenigen zehntel Millimetern.
EMUS-Wandler, die über eine vorstehende Tragstruktur für die Anbringung einer HF-Spulenanordnung verfügen sind beispielsweise in einem Beitrag von H. J. Salzburger, „A New Design of the RF-Part of Electromagnetic-Ultrasonic(EMUS-)Transducers", Farley, M. (Ed.); Nichols, R. W. (Hrsg.): Non-Destructive Testing (4), Vol. 4., Pergamon Press, 1988, 2321–2327, beschrieben.
Mit Hilfe der in den 2a und 2b illustrierten kammartig ausgebildeten Tragstrukturen 1 zur Aufnahme und Anbringung einer HF-Spulenanordnung, deren stirnseitig frei endenden Kammelemente 3 unmittelbar auf der Oberfläche eines zu untersuchenden Werkstückes aufgesetzt werden, können beispielsweise sich längs zur Oberfläche des Werkstückes ausbreitende Rayleigh-Ultraschallwellen zur Werkstückinspektion in Gegenwart eines im Bereich der Tragstruktur innerhalb des Werkstückes vorherrschenden Permanentmagnetfeldes, vorzugsweise mit orthogonal zur Werkstückoberfläche orientierten Magnetfeldlinien, erzeugt werden, die zu Zwecken der Rissuntersuchung innerhalb des Werkstückes dienen.
In einem Beitrag von Tschuncky, R.; Szielasko, K.; Altpeter, I.; Herrmann, H.-G.; Dobmann, G.; Boller, C.: „In-situ Überwachung des Rissfortschrittverhaltens mit zerstörungsfreien Messmethoden", Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e. V. (DGZfP): DGZfP-Jahrestagung 2012, wird der erfolgreiche Einsatz vorstehend erläuterter Ultraschallwandler zur Erzeugung und Detektion von sich entlang einer Werkstückoberfläche ausbreitenden Rayleigh-Wellen zur In-Situ-Überwachung des Rissfortschrittverhaltens an einem Werkstück erläutert, bei dem ein entsprechender Ultraschallsender sowie ein Ultraschallempfänger in Ausbreitungsrichtung der Rayleigh-Wellen einem sich im Wege eines Dreipunkt-Biegeversuches ausweitenden Risses gegenüberliegend an der Werkstückoberfläche angeordnet sind.
Versuche der vorstehenden Art können mit einer verbesserten lateralen Auflösung durchgeführt werden, bei denen EMUS-Wandler mit einer fokussierenden Abstrahlungscharakteristik eingesetzt werden, die die Abstrahlung von vorzugsweise auf den Ort der Rissausbildung fokussierten Rayleigh-Wellen ermöglichen. Derartig modifizierte Ultraschallwandler weisen im Gegensatz zu den in den 2a und 2b illustrierten Tragstrukturen 1 mit jeweils parallel zueinander verlaufenden Kammelementen 3 entsprechend gekrümmt verlaufende Kammelemente 3' bspw. in Form von Teilkreissegmenten mit einem definierten Radius auf. Zur Illustration derartig modifizierter kammartig ausgebildeter Tragstrukturen 1' sei auf die 2c und 2d verwiesen, die exemplarisch für die Erzeugung zwei unterschiedlicher Wellenlängen λ_s ausgebildet sind. Derartig gekrümmte Kammelemente 3' können jedoch nicht im Wege der Drahterosion hergestellt werden, zumal bei der Drahterosion keine gekrümmten Drähte aufgrund der Drahtspannung zum Einsatz kommen und dadurch prinzipbedingt lediglich für die Herstellung gerader Kammstrukturen geeignet sind. Bisher bekannte kammartig ausgebildete und über fokussierende Eigenschaften verfügende Tragstrukturen für eine HF-Spulenanordnung bestehen aus nicht ferromagnetischen Materialien, vorzugsweise aus mittels CNC-Maschinentechnik bearbeitbaren Kunststoffen, deren Herstellung und Formgebung technisch unproblematisch ist, deren mangelnde magnetischen Eigenschaften jedoch mit hohen Leitungsverlusten in Bezug auf die Einleitung des durch die HF-Spulenanordnung erzeugten HF-Magnetfeldes in das zu untersuchende Werkstück verbunden sind.
Eine entsprechende kammartige Strukturierung einer aus ferromagnetischem und somit aus metallischem Material bestehenden Tragstruktur, beispielsweise im Wege des so genannten Senkerodierens, setzt ein speziell angefertigtes Werkzeug voraus, das zum einen hohe Kosten aufwirft und lediglich für eine bestimmte Wandlergeometrie in Bezug auf Krümmung und Wellenlänge der zu erzeugenden Ultraschallwellen eingesetzt werden kann. So würde die Anfertigung der in den 2c und 2d illustrierten Tragstruktur 1' zwei unterschiedliche, jeweils mit hohen Herstellungskosten verbundene Senkerodierwerkzeuge voraussetzen.
Insbesondere für die Entwicklung neuartiger Ultraschallwandler mit aus ferromagnetischem Material bestehenden Tragstrukturen, die über fokussierende Eigenschaften verfügen, ist es weder finanziell noch zeitlich rentabel, derartige Tragstrukturen im Wege eines Senkerodierprozesses herzustellen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer ferromagnetisches Material aufweisenden, kammartig ausgebildeten Tragstruktur für eine HF-Spulenanordnung, die Teil einer Einrichtung zur Koppelmittelfreien Ein- und/oder Auskopplung von Ultraschallwellen in ein- und/oder aus einem Werkstück ist, die wenigstens vier eine gemeinsame Tragstrukturoberfläche eines Tragstrukturkörpers in z-Richtung eines zuordenbaren kartesischen Koordinatensystems (x, y, z) überragende, rippenartig ausgebildete Kammelemente aufweist, die jeweils eine lateral zur Tragstrukturoberfläche in y-Richtung orientierte Kammlängserstreckung aufweisen sowie jeweils paarweise einen quer zur Kammlängserstreckung sowie lateral zur Tragstrukturoberfläche in x-Richtung freien, nutförmigen Zwischenraum begrenzen, derart weiterzubilden, so dass abweichend zur geradlinig verlaufenden Form die Ausbildung von gekrümmten Kammelementen möglich wird, ohne die Notwendigkeit von zeit- und kostenintensiven Bearbeitungsschritten oder teuren Zusatzwerkzeugen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die das lösungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die illustrierten Ausführungsbeispiele, zu entnehmen.
Das lösungsgemäße Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zeichnet sich dadurch aus, dass eine Vielzahl identisch ausgebildeter, vereinzelter Kammstrukturstreifen bereitgestellt wird, die jeweils über eine einheitliche in y-Richtung orientierte Streifendicke verfügen und die wenigstens vier rippenartig ausgebildete Kammelemente aufweisen, die jeweils eine in y-Richtung orientierte Kammlängserstreckung in der Größe der Streifendicke besitzen sowie jeweils paarweise einen in x-Richtung freien, nutförmigen Zwischenraum begrenzen. Die Vielzahl der Kammstrukturstreifen gilt es im Weiteren in Kammlängserstreckung, d. h. in y-Richtung derart nebeneinander anzuordnen, so dass wenigstens zwei in y-Richtung unmittelbar benachbarte Kammstrukturstreifen in x-Richtung einen räumlichen Versatz Δx aufweisen. Schließlich wird die Vielzahl der nebeneinander angeordneten Kammstrukturstreifen zu einem festen Verbund zum Erhalt der kammartig ausgebildeten Tragstruktur gefügt.
Das lösungsgemäße Verfahren geht von einer an sich bekannten, kammartig ausgebildeten Tragstruktur aus, die beispielsweise im Wege eines herkömmlichen Drahterodierverfahrens gewonnen wird und über eine Vielzahl geradlinig und parallel zueinander verlaufende Kammelemente verfügt. Eine derartige kammartig ausgebildete Tragstruktur ist beispielsweise in den bereits erläuterten 2a und 2b illustriert. Zum Erhalt der Vielzahl identisch ausgebildeter Kammstrukturstreifen wird die in den 2a, 2b dargestellte kammartig ausgebildete Tragstruktur jeweils quer zur Kammlängserstreckung in dünne Streifen separiert, beispielsweise mit den Mitteln der Drahterosion oder mittels an sich bekannter mechanischer Abschertechniken. Die sich auf diese Weise ergebenden, einzelnen Kammstrukturstreifen verfügen über eine einheitliche Form, Größe und Streifendicke, die typischerweise ein Dickenmaß d zwischen 0,1 mm und 10 mm aufweisen kann.
Die Vielzahl der jeweils identisch ausgebildeten Kammstrukturstreifen wird im Weiteren unter Zuhilfenahme eines Montagemittels, das über wenigstens eine gekrümmt verlaufende Montagekante verfügt, derart nebeneinander liegend angeordnet, so dass die einzelnen Kammstrukturstreifen einseitig stirnseitig an der Montagekante anliegen. Durch diese Anordnungsweise erfahren die einzelnen Kammstrukturstreifen in ihrer nebeneinander liegenden Abfolge einen durch die vorgegebene Krümmung der Montagekante räumlichen Versatz in Längserstreckung der Kammstrukturstreifen zueinander.
Vorzugsweise weist das Montagemittel wenigstens eine sphärisch gekrümmte Montagekante auf, mit einem einheitlich vorgegebenen Radius. Ebenso ist es möglich, die Montagekante mit einer parabolisch gekrümmten Kontur zu versehen, um auf diese Weise geometrischen Einfluss auf das Fokussierverhalten der Ultraschallwellenanordnung zu nehmen. Selbstverständlich ist auch möglich, von der sphärischen oder parabolischen Krümmungsform abweichende Konturen zur Ausgestaltung der wenigstens einen Montagekante zu verwenden.
Da die Vielzahl der einzelnen Kammstrukturstreifen identisch ausgebildet sind spiegelt sich die Krümmung der Montagekante in der Ausgestaltung der einzelnen Kammelemente der sich durch das Zusammensetzen der einzelnen Kammstrukturstreifen ergebenden Tragstruktur wieder, gleichwohl die stetige Krümmung der Montagekante durch eine sich ergebende stufenweise Aneinanderreihung der Kammelemente der einzelnen Kammstrukturstreifen zumindest angenähert ist. Hierbei spielt die Wahl der Streifendicke der Kammstrukturstreifen eine wichtige Rolle. Je geringer die Streifendicke gewählt wird, umso besser schmiegt sich die stufenförmige Abfolge der in y-Richtung unmittelbar benachbarten Kammelemente der einzelnen Kammstrukturstreifen an die durch die Montagekante vorgegebene kontinuierliche Krümmung an, wodurch letztlich die Fokussiereigenschaften des EMUS-Wandler verbessert werden kann.
Das lösungsgemäße Verfahren ermöglicht eine kostengünstige und insbesondere zeiteffektive Herstellung von EMUS-Wandlern mit einer ferromagnetischen Kammstruktur, die über fokussierende Schallwelleneigenschaften verfügt. Insbesondere zu Zwecken der Entwicklung von EMUS-Wandlern bietet das lösungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, den Zusammenbau der kammartig ausgebildeten Tragstruktur beliebig oft unter Verwendung unterschiedlich gekrümmter Montagekanten zu wiederholen, zumal der Zusammenhalt der mit Hilfe einer vorgegebenen Montagekante zusammengefügter Kammstrukturstreifen lediglich durch eine anschließende Umwicklung der einzelnen, gekrümmt verlaufenden Kammelemente gewährleistet werden kann. Sollte sich nach der Montage der kammartigen Tragstruktur unter Verwendung einer bestimmt gekrümmten Montagekante nicht die gewünschte Fokuswirkung der mit Hilfe des EMUS-Wandlers abgestrahlten Ultraschallwellen erzielen, so lässt sich die Vielzahl der nebeneinander zusammengefügten Kammstrukturstreifen durch Lösen der HF-Spulenanordnung wieder vereinzeln, die im Weiteren einer erneuten Montage wieder zur Verfügung stehen.
Stellen sich bei geeigneter Montage der Kammstrukturstreifen die gewünschten Fokuseigenschaften ein, so bietet es sich an, die Vielzahl der mit Hilfe der Montagehilfe zusammengefügten Kammstrukturstreifen zum Erhalt eines festen Stapelverbundes dauerhaft miteinander zu verkleben. Die anschließende Umwicklung der Kammelemente der hergestellten Tragstruktur mit der HF-Spulenanordnung bietet einen ergänzenden Zusammenhalt des Fügeverbundes.
Neben der Möglichkeit, die Krümmung der Montagekante weitgehend frei zu wählen, ist es möglich, den lateralen Abstand zwischen zwei in x-Richtung unmittelbar benachbart angeordneten Kammelementen, d. h. die Weite wenigstens eines Zwischenraumes, ebenso individuell vorzugeben. Dies erfolgt bereits im Rahmen des Drahterodierverfahrens, mit dem der initiale Trafoblechstapel zur Ausbildung der geradlinig verlaufenden, rippenartig ausgebildeten Tragstruktur bearbeitet und wird. So lässt sich die Weite der nutförmig ausgebildeten Zwischenräume zwischen zwei benachbart, geradlinig verlaufenden Kammelementen beliebig und somit auch unterschiedlich groß wählen. Nach entsprechender Separierung des Trafoblechstapels in eine Vielzahl mit einheitlicher Streifendicke d ausgebildeter Kammstrukturstreifen, lassen sich die einzelnen Kammstrukturstreifen in der vorstehend lösungsgemäß beschriebenen Montageweise zu einem mit gekrümmt verlaufenden Kammelementen zusammenfügen, wobei eine derart kammartig ausgebildete Tragstruktur in y-Richtung gekrümmt verlaufende Kammelemente mit jeweils in x-Richtung unterschiedlich dimensionierten nutförmigen Zwischenräumen aufweist. Hierdurch ist es möglich, einen weiteren Einfluss auf das Abstrahl- sowie Fokussierverhalten der von einem EMUS-Wandler ausgehenden Ultraschallwellen zu nehmen.
Ein bevorzugtes technisches Anwendungsgebiet von Ultraschallwandlern mit einer kammartig ausgebildeten Tragstruktur, die über gekrümmt verlaufende Kammelemente verfügt, betrifft die Instrumentierung bei sogenannten Kerbschlag- und Biegeversuchen sowie von Bruchmechanik-Versuchen, die zu Zwecken der Rissinitiierung sowie der Aufzeichnung des stabilen und dynamischen Risswachstums während des Versuchsablaufes durchgeführt werden. Durch geeignete Analyse des Risswachstumsverhaltens können ergänzende Informationen über das Werkstoffverhalten gewonnen werden, welche eine bessere bruchmechanische Beurteilung der Versagungswahrscheinlichkeit ermöglichen. Dies wird vor allem durch die Fokussierung der Ultraschallwellen ermöglicht, zumal hierdurch hochauflösende Messungen ermöglicht werden. Zusätzlich kann durch eine Instrumentierung mit fokussierender Ultraschallabstrahlung auf Zeit- und somit kostenintensive Teilentlastungen verzichtet bzw. die Anzahl der Teilentlastungen reduziert werden, die üblicherweise zur Ermittlung des Risswachstums usw. benötigt werden.
Darüber hinaus ist der Einsatz von fokussierten EMUS-Wandlern mit ferromagnetischer Kammstruktur ebenfalls bei allen Anwendungen denkbar, in denen ein hohes laterales Auflösungsvermögen erforderlich ist, wie beispielsweise bei der Oberflächenprüfung auf Fehler mit geringer Längenausdehnung.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1a, b Kammstrukturstreifen zur Erzeugung von Ultraschallwellen mit unterschiedlichen Wellenlängen,
2a, b kammartig ausgebildete Trägerstruktur geradlinig verlaufenden Kammelementen,
2c, d kammartig ausgebildete Tragstrukturen mit gekrümmt ausgebildeten Kammelementen,
3a, b Montagemittel zum Zusammenfügen einer kammartig ausgebildeten Tragstruktur mit jeweils gekrümmt verlaufenden Kammelementen,
4a, b Darstellung der Befüllung eines Montagemittels mit Kammstrukturstreifen,
5a, b Draufsicht auf eine kammartig ausgebildete Tragstruktur mit jeweils gekrümmt verlaufenden Kammelementen sowie
6 schematisierte Anordnung einer EMUS-Wandler-Messanordnung zur Erfassung eines Risswachstums innerhalb eines Werkstückes im Rahmen eines Dreipunkt-Biegeversuches.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Die 1a, 1b zeigen Kammstrukturstreifen 5, die jeweils eine Streifendicke d, typischerweise im Maß zwischen 0,1 mm und 10 mm aufweisen und vermittels eines Separiervorganges von den in den 2a, b illustrierten und vorstehend bereits erläuterten kammartig ausgebildeten Tragstrukturen 1 erhalten worden sind. So korrespondiert der in 1a gezeigte Kammstrukturstreifen 5 zu der in 2a gezeigten kammartig ausgebildeten Tragstruktur 1, wohingegen der in 1b dargestellte Kammstrukturstreifen durch entsprechende Separierung von der in 2b illustrierten kammartig ausgebildeten Tragstruktur 1 erhalten wurde. Die Separierung der jeweiligen Kammstrukturstreifen 5 erfolgt vorzugsweise im Wege eines mechanischen Abschervorganges, beispielsweise im Rahmen eines Sägevorganges. In gleicher Weise bietet sich das Drahterosionsverfahren an, mit dem die in den 1a, b dargestellten Kammstrukturstreifen 5 von den jeweiligen in den 2a, b illustrierten Tragstrukturen 1 „scheibenweise” abgetrennt werden. Durch wiederholtes Separieren einzelner Kammstrukturstreifen 5 von den jeweils angefertigten kammartig ausgebildeten Tragstrukturen 1 lässt sich somit eine Vielzahl in Form und Größe identisch ausgebildeter Kammstrukturstreifen 5 herstellen.
Jeder einzelne Kammstrukturstreifen 5 verfügt über wenigstens vier jeweils durch Zwischenräume 4 getrennte Kammelemente 3, die sich vorzugsweise mit identischer Länge L über die der Tragstrukturoberfläche 2 der Tragstruktur 1 erstrecken, von der der jeweilige Kammstrukturstreifen 5 separiert wurde.
Zur weiteren Montage einer kammartig ausgebildeten Tragstruktur mit jeweils gekrümmt verlaufenden Kammelementen dient eine Montagehilfe 6, die in zwei alternativen Ausgestaltungen in den 3a und b dargestellt ist. Die Montagehilfe 6 verfügt über wenigstens eine Montagekante 7, die in den gezeigten Ausführungsbeispielen jeweils eine sphärische Krümmung mit einem vorgegebenen Radius aufweist. Die Montagekante 7 stellt die Begrenzungskante einer Montageschablone 8 dar, die linear beweglich längs eines Montagerahmens 9 zwangsgeführt ist. Der Montagerahmen 9 weist eine Vertiefung 10 auf, innerhalb der die Vielzahl der einzelnen bereitgestellten Kammstrukturstreifen 5 nebeneinander liegend jeweils einseitig stirnseitig in Anlage zur Montagekante 7 gebracht werden.
Das in 3b illustrierte Montagemittel 6 ist gleichbauend zum Montagemittel gemäß 3a aufgebaut, die Montageplatte 8 weist hingegen eine Montagekante 7 auf, die einen größeren Krümmungsradius R aufweist als im Falle von 3a.
Das Montagemittel 6 verfügt darüber hinaus über eine zweite Montagekante 7', die jeweils gleichgekrümmt zur Montagekante 7 der Montageplatte 8 ausgebildet ist, so dass die einzelnen Kammstrukturstreifen beidseitig stirnseitig sowohl an der Montagekante 7 als auch 7' zur Anlage gebracht werden können. Hierzu ist die Montageplatte 8 in geeigneter Weise linear beweglich gelagert, um den Montagevorgang zu erleichtern.
4a zeigt eine Mehrzahl von bereits innerhalb des Montagemittels 6 eingesetzter Kammstrukturstreifen 5, die jeweils zweiseitig stirnseitig sowohl an der Montagekante 7 als auch 7' bündig anliegen und somit in Längserstreckung zu den einzelnen Kammstrukturstreifen 5 einen durch die Krümmung der Montagekante 7 vorgegebenen räumlichen Versatz aufweisen.
Im Falle der 4b sind vier Kammstrukturstreifen 5 in das Montagemittel 6 in der gleichen Weise eingesetzt worden, deren Streifenbreite d größer bemessen ist als die Streifenbreite der in das Montagemittel 6 gemäß 4a eingesetzten Kammstrukturstreifen 5.
Die 5a und b zeigen jeweils eine Draufsicht auf sämtliche Kammstrukturstreifen 5 nach vollständiger Besetzung des Montagemittels gemäß der 4a und b und entsprechender Entnahme der zu einer neuartigen Tragstruktur zusammengesetzten Kammstrukturstreifen 5. Aus der Draufsicht der jeweiligen Bilddarstellung gemäß 5a und b ist ersichtlich, dass die sich ergebenden Kammelemente 3' eine stufenweise, an die durch die Montagekante 7 vorgegebene Krümmung annhäherende Kontur aufweisen, wobei der gekrümmt vorgegebene Verlauf geometrisch umso besser von den Kammelementen 3' nachgebildet wird, umso geringer die Streifendicke der einzelnen Kammstrukturstreifen gewählt wird. In 5a sind Kammstrukturstreifen 5 mit geringerer Streifendicke gezeigt als im Fall der 5b.
In vorteilhafter Weise bietet es sich die einzelnen, in y-Richtung nebeneinander angebrachten Kammstrukturstreifen 5 miteinander zu verkleben. Der kompakte Zusammenhalt kann jedoch alternativ oder in Kombination durch eng an die gekrümmt verlaufenden Kammelemente 3' anliegenden Spulenwicklungen der nachträglich anzubringenden HF-Spulenanordnung realisiert werden.
In 6 ist eine schematisierte Querschnittsdarstellung einer Messsituation illustriert, bei der im Rahmen eines Dreipunkt-Biegeversuches (siehe die Auflage Punkt 11) ein zu untersuchendes Werkstück 12 hinsichtlich eines Risswachstums untersucht wird. Hierbei werden an der Rissbeaufschlagten Werkstückoberfläche 13 ein lösungsgemäß ausgebildeter Ultraschallsender 14 sowie ein entsprechend lösungsgemäß ausgebildeter Ultraschallempfänger 15 jeweils zum Riss 16 gegenüberliegend angebracht. Die von dem Ultraschallsender 14 zum Ultraschallempfänger 15 gerichtet ausgesendeten Oberflächenwellen breiten sich um bzw. durch den Riss 16 aus. Die dargestellten Schall-Laufzeiten t1, t2, t3 spiegeln den sich vergrößernden Laufweg der Ultraschallwellen wieder, der mit zunehmender Rissgröße gleichfalls zunimmt. Durch das fokussierte Abstrahlverhalten sowie das fokussierte Empfangsverhalten des Ultraschallsenders 14 bzw. des Ultraschallempfängers 15 kann das Rissausbreitungsverhalten mit einer signifikant höheren Auflösung sowie einem signifikant verbesserten Signal-zu-Rausch-Verhältnis erfasst werden.
Bezugszeichenliste

1: Kammartig ausgebildete Tragstruktur
2: Tragstrukturoberfläche
3: Kammelement
4: Nutförmiger Zwischenraum
5: Kammstrukturstreifen
6: Montagemittel
7: Montagekante
8: Montageschablone
9: Montagerahmen
10: Vertiefung
11: Auflagepunkte
12: Werkstück
13: Werkstückoberfläche
14: Ultraschallsender
15: Ultraschallempfänger
16: Riss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. J. Salzburger, „A New Design of the RF-Part of Electromagnetic-Ultrasonic(EMUS-)Transducers”, Farley, M. (Ed.); Nichols, R. W. (Hrsg.): Non-Destructive Testing (4), Vol. 4., Pergamon Press, 1988, 2321–2327 [0007]
Tschuncky, R.; Szielasko, K.; Altpeter, I.; Herrmann, H.-G.; Dobmann, G.; Boller, C.: „In-situ Überwachung des Rissfortschrittverhaltens mit zerstörungsfreien Messmethoden”, Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e. V. (DGZfP): DGZfP-Jahrestagung 2012 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer ferromagnetisches Material aufweisenden, kammartig ausgebildeten Tragstruktur für eine HF-Spulenanordnung, die Teil einer Einrichtung zur koppelmittelfreien Ein- und/oder Auskopplung von Ultraschallwellen in ein und/oder aus einem Werkstück ist, die wenigstens vier eine gemeinsame Tragstrukturoberfläche eines Tragstrukturkörpers in z-Richtung eines zuordenbaren kartesischen Koordinatensystems (x, y, z) überragende, rippenartig ausgebildete Kammelemente aufweist, die jeweils eine lateral zur Tragstrukturoberfläche in y-Richtung orientierte Kammlängserstreckung aufweisen sowie jeweils paarweise einen quer zur Kammlängserstreckung sowie lateral zur Tragstrukturoberfläche in x-Richtung freien, nutförmigen Zwischenraum begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl identisch ausgebildete Kammstrukturenstreifen bereitgestellt wird, die jeweils über eine einheitliche in y-Richtung orientierte Streifendicke (d) verfügen und wenigstens vier rippenartig ausgebildete Kammelemente aufweisen, die jeweils eine in y-Richtung orientierte Kammlängserstreckung in der Größe der Streifendicke (d) besitzen sowie jeweils paarweise einen in x-Richtung freien, nutförmigen Zwischenraum begrenzen, dass die Vielzahl der Kammstrukturstreifen in Kammlängserstreckung, d. h. in y-Richtung, derart nebeneinander angeordnet wird, so dass wenigstens zwei in y-Richtung unmittelbar benachbarte Kammstrukturstreifen in x-Richtung einen räumlichen Versatz Δx aufweisen, und dass die Vielzahl der nebeneinander angeordneten Kammstrukturstreifen zu einem festen Verbund zum Erhalt der kammartig ausgebildeten Tragstruktur gefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Kammstrukturstreifen derart in y-Richtung nebeneinander und in x-Richtung mit wenigstens einem räumlichen Versatz Δx angeordnet wird, so dass die einzelnen rippenartig ausgebildeten Kammelemente der sich durch den festen Verbund ergebenden kammartig ausgebildeten Tragstruktur in Kammlängserstreckung, durch eine sich ergebende stufenweise Aneinanderreihung der Kammelemente der einzelnen Kammstrukturstreifen, in Art einer Krümmung verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der jeweils identisch ausgebildeten Kammstrukturenstreifen mit Hilfe eines über eine gekrümmt verlaufende Montagekante verfügenden Montagemittels derart nebeneinander angeordnet wird, so dass die einzelnen Kammstrukturstreifen einseitig stirnseitig in x-Richtung an die Montagekante und in y-Richtung nebeneinander liegend gegenseitig unmittelbar angrenzend angeordnet werden.
Verfahren Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Montagekante eine sphärisch gekrümmte Montagekante mit einem vorgebbaren Radius gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Montagekante eine parabolisch gekrümmte Montagekante gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der identisch ausgebildeten Kammstrukturenstreifen durch scheibenweises Separieren von einer kammartig ausgebildeten, aus einer Vielzahl zusammengefügter, ferromagnetischer Blechlagen bestehenden Tragstruktur mit in Kammlängserstreckung geradlinig verlaufenden, rippenartig ausgebildeten Kammelementen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Separieren mittels Drahterodieren oder mechanischen Abscherens erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die rippenartig ausgebildeten Kammelemente jeweils eine einheitliche, in x-Richtung orientierte Kammbreite b aufweisen, und dass der räumliche Versatz Δx zweier in y-Richtung unmittelbar benachbarter Kammstrukturstreifen derart gewählt wird, so dass gilt: Δx < b.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein rippenartig ausgebildetes Kammelement eine in x-Richtung orientierte Kammbreite b₁ aufweist, die sich von der Kammbreite b eines in x-Richtung unmittelbar benachbarten Kammelementes unterscheidet
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Geometriegrößen gewählt werden: Streifendicke d: 0,1 mm ≤ d ≤ 10 mm Kammelementbreite b: 0,1 mm ≤ b ≤ 20 mm
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der nebeneinander angeordneten Kammstrukturstreifen zu einem festen Verbund zum Erhalt der kammartig ausgebildeten Tragstruktur derart gefügt wird, so dass um die Kammelemente der kammartig ausgebildeten Tragstruktur wenigstens ein Spulendraht der HF-Spulenanordnung unter Vorgabe eines die einzelnen Kammelemente eng umschlingenden Verlegemusters umwickelt wird.