Qualitätskontrolle

Zerstörungsfreie Prüfung

Mit industrieller Computertomographie fehlerhafte Bauteile frühzeitig erkennen

Was versteht man unter zerstörungsfreier Prüfung?

Die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP), auch bekannt als non-destructive testing (NDT), bezeichnet eine Technik zur Überprüfung von Bauteilen, Werkstücken oder Baugruppen auf Fehler. Beim NDT können verschiedene Methoden wie Röntgen, Ultraschall, Computertomographie oder Magnetpulver zum Einsatz kommen.

Ziel der ZfP ist es, Fehler in Materialien frühzeitig zu entdecken und die defekten Werkstücke aus der Fertigung herauszunehmen. Um diese Fehler zu entdecken, werden die Prüfstücke bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung thermisch, mechanisch und chemisch beansprucht. Als Fehler oder Defekte gelten beispielsweise Poren, Lufteinschlüsse, Risse oder Oberflächenkorrosion. Die Prüfung muss ohne Zerstörung oder Beeinträchtigung des Prüfstücks erfolgen. Nach der Prüfung muss die Gebrauchseignung des Werkstücks oder Werkstoffs genauso gegeben sein wie vor der Prüfung. Dies macht die ZfP zu einer wichtigen Methode in der Qualitätskontrolle und Sicherheitsprüfung von Bauteilen und Anlagen, denn fehlerhafte Materialien und bauliche Mängel können im Extremfall sogar die Sicherheit des Bauteils oder Gebäudes beeinträchtigen.

Worin besteht der Unterschied zu zerstörenden Prüfmethoden?

Im Unterschied zur zerstörungsfreien Prüfung wird der Werkstoff bei der zerstörenden Prüfung so beschädigt, dass er nicht mehr genutzt werden kann. Dafür werden eigens für diesen Zweck gefertigte genormte Prüfstücke eingesetzt. Darüber hinaus kann nicht sicher gesagt werden, dass das nächste produzierte Bauteil fehlerfrei ist. In der Industrie ist es daher von großer Bedeutung, zerstörungsfreie Prüfungen durchzuführen, um die Qualität, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der Produktion zu gewährleisten.

Der Zweck der zerstörenden Prüfung liegt in einem anderen Detail: Die Zerstörung des Prüfstücks liefert wichtige Informationen darüber, welcher Werkstoff geeignet ist und welche Geometrie und Abmessungen das noch zu fertigende Bauteil haben muss.

Zerstörende Werkstoffprüfungen erfolgen, um Werkstoffkennwerte zu ermitteln. Das ist bei der zerstörungsfreien Prüfung nicht der Fall. Im Anschluss daran ist lediglich bekannt, ob er die untersuchte Komponente ausgewechselt werden muss oder sie technisch sicher ist.

Die verschiedenen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung

Es gibt viele Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung. Neben den bereits genannten Prüfmethoden wie Ultraschall oder Röntgenprüfung, gibt es weitere Techniken wie die akustische Prüfung, die Thermografie oder das bodendurchdringende Radar. Auch das Laser-Prüfverfahren findet in der ZfP Anwendung. Die Wahl der Methode hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Art des Materials, der Größe des Prüfstücks oder der Art des Fehlers, der entdeckt werden soll.

Bei den "klassischen" zerstörungsfreien Prüfverfahren handelt es sich um die wichtigsten Methoden im NDT, die sich zwischen der Oberflächenprüfung und der Prüfung innenliegender Strukturen unterscheiden.

Die Sichtprüfung ist eine optische Inspektion zur Überprüfung von Bauteilen und Komponenten. Sie eignet sich besonders für die Qualitätskontrolle von Oberflächen und bei der Montage von Bauteilen. Bei der Durchführung können verschiedene Hilfsmittel zum Einsatz kommen, wie z. B. Lupen, Spiegel, Mikroskope, Endoskope, Kameras, Scanner oder natürlich auch das bloße Auge. Ein Nachteil der zerstörungsfreien Sichtprüfung ist jedoch, dass nur Oberflächenfehler oder -defekte entdeckt werden können, während Fehler im Inneren des Prüfstücks zunächst unentdeckt bleiben. Dafür sind weitere zerstörungsfreie Prüfverfahren notwendig.
Bei der Farbeindringprüfung werden farbige oder fluoreszierende Kontrastmittel auf ein Bauteil aufgetragen, z. B. durch Sprühen oder Eintauchen. Das Mittel setzt sich in Rissen, Poren oder Löchern auf der Oberfläche fest und zeigt diese sichtbar an. Insbesondere bei Schweißnähten wird die Farbeindringprüfung häufig eingesetzt. Ein Nachteil dieser Methode besteht darin, dass die Umweltaspekte der Kontrastmittel beachtet werden müssen und Einfärbungen keinen genauen Hinweis auf die Tiefe der Risse oder Löcher geben. Zudem können bei rauen Oberflächen Pseudofehler angezeigt werden, die keine tatsächlichen Defekte darstellen. Trotz dieser Einschränkungen bleibt die Farbeindringprüfung eine wichtige Methode in der Qualitätskontrolle von Bauteilen und Anlagen.
Die Magnetpulverprüfung, auch bekannt als magnetische Streuflussprüfung, ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, das bei magnetisierbaren Werkstoffen und Werkstücken eingesetzt wird. Bei dieser Methode wird das Prüfstück zunächst magnetisiert. Anschließend werden fluoreszierende magnetische Partikel mit Hilfe einer Flüssigkeit oder eines Pulvers auf das Prüfstück aufgetragen. Defekte werden sichtbar, da sie ein anderes magnetisches Feld erzeugen. Die magnetische Streuflussprüfung ist eine sehr schnelle Prüfmethode und ermöglicht die Entdeckung selbst kleinster Risse, die bis zu viermal dünner sein können als ein menschliches Haar.

Die Magnetpulverprüfung bietet daher eine hohe Empfindlichkeit bei der Erkennung von Oberflächenfehlern und wird häufig in der Metallverarbeitung und der Automobilindustrie eingesetzt. Ein weiterer Vorteil der Methode ist, dass sie einfach durchzuführen ist. Trotz ihrer Vorteile gibt es jedoch auch Einschränkungen bei der magnetischen Streuflussprüfung, da sie nur bei magnetisierbaren Materialien eingesetzt werden kann und die Ergebnisse durch die magnetischen Eigenschaften des Materials beeinflusst werden können.
Die Wirbelstromprüfung ist eine zerstörungsfreie Prüfung, die nur bei elektrisch leitenden Werkstoffen eingesetzt werden kann. Dabei wird die Oberfläche des Prüfstücks auf Fehler untersucht. Um das Werkstück herum wird ein Magnetfeld erzeugt, wodurch im Prüfstück selbst Wirbelströme entstehen, die wiederum ein eigenes Magnetfeld erzeugen. Veränderungen im Material wie Risse, Lufteinschlüsse oder ähnliche Defekte, aber auch Verunreinigungen erzeugen ein anderes Magnetfeld als das eigentliche Material, da sie eine andere elektrische Leitfähigkeit besitzen.

Der Vorteil dieser zerstörungsfreien Bauteilprüfung ist, dass sie im Vergleich zu anderen Methoden nur geringe Ressourcenverbrauchs- und Wartungsaufwendungen erfordert. Die Wirbelstromprüfung zählt somit zu den wirtschaftlichsten und umweltfreundlichsten zerstörungsfreien Prüfverfahren. Sie wird häufig in der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Allerdings kann die Wirbelstromprüfung nur bei elektrisch leitenden Materialien eingesetzt werden und ist auf die Oberflächenprüfung beschränkt, da die Wirbelströme nur in den oberen Schichten des Materials induziert werden.

Verfahren zur Prüfung des Inneren eines Bauteils

Röntgenprüfung

Die Röntgenprüfung, auch bekannt als Durchstrahlungsprüfung, ist ein wichtiges Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, das den Blick ins Innere eines Bauteils ermöglicht. Im Gegensatz zur Ultraschallprüfung können bei der Durchstrahlungsprüfung auch die Art und genaue Lage von Defekten bestimmt werden, was in vielen Anwendungsbereichen von Vorteil ist. Die digitale Röntgenprüfung, wie zum Beispiel die Computertomographie, eröffnet viele weitere Vorteile, da die Prüfergebnisse digital gespeichert und bewertet werden können.

Die Röntgenprüfung hat große Bedeutung: NDT 4.0, also die Kombination aus der Digitalisierung der Durchstrahlungsprüfung und dem Einsatz von KI, liefert entscheidende Vorteile.

Mehr zu NDT 4.0

Ultraschallprüfung

Bei der Ultraschallprüfung werden Ultraschallwellen aus einem Prüfkopf durch das Prüfstück geschickt. Fehlerhafte Stellen im Material reflektieren die Wellen und können auf einem Bildschirm nachverfolgt werden. Durch die Messung der Laufzeit von Sendung der Ultraschallwellen und Reflektion werden Art und Lage eines Defekts genau bestimmt. Moderne Ultraschallprüfungen messen sogar die Größe eines Defekts.

Die Ultraschallprüfung eignet sich für das non-destructive testing von flächigen und voluminösen Bauteilen, zum Beispiel für die Messung der Wanddicke. Bei flächigen Defekten liefert die Ultraschallprüfung bessere Ergebnisse als die Röntgenprüfung. Ein Nachteil der Methode ist jedoch, dass das Material bei der Prüfung nicht nur akustisch, sondern auch thermisch belastet wird. Zudem ist die Ultraschallprüfung bei groben Oberflächen schwieriger.

CT-Scans

Beim NDT mit Computertomographie (CT) wird das zu prüfende Objekt mit Röntgenstrahlen durchleuchtet, ähnlich wie bei der Durchstrahlungsprüfung. Dabei werden zahlreiche 2D-Bilder aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen. Anschließend werden diese Bilder mithilfe eines Computers in ein dreidimensionales Modell umgewandelt. Dieses Modell gibt dann Einblicke in das Innere des Objekts und zeigt mögliche Defekte oder Abweichungen im Material an. Eine Besonderheit des CT-NDTs ist, dass sie eine höhere Auflösung als andere zerstörungsfreie Prüfverfahren ermöglicht, wodurch auch sehr kleine oder schwer zu erkennende Defekte entdeckt werden können.

Mit industrieller Computertomographie können sogar kleine komplexe Bauteile mit höchster Präzision geprüft werden. Die Gerätesteuerung und Messdatenauswertung erfolgen mit einer speziellen Software. Dadurch können Scans erzeugt werden, die den hohen messtechnischen Anforderungen der Industrie entsprechen und Kernbrüche und sogar kleinste Fehler, Poren und Lunker im Bauteil anzeigen. Die CT-Scans erfassen sogar Komponenten, die ältere Messtechnik wegen ihrer Unzugänglichkeit nicht prüfen konnte.

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Horst Lang
Head of Corporate Quality Operations Support, Festo

Wieso ist die zerstörungsfreie Prüfung in der Industrie so wichtig?

Die moderne Technologie des NDT schafft einen großen Mehrwert für die Industrie. Durch die frühzeitige Erkennung fehlerhafter Bauteile können diese aus dem Produktionsprozess herausgenommen werden. Wenn möglich, kann eine Reparatur vorgenommen werden. Bei irreparablen Defekten kommt es zur Verschrottung und erneuten Zuführung des Materials in den Werkstoffkreislauf.

Dadurch ergeben sich folgende, markante Vorteile:

Einsparungen von Ressourcen, Zeit und Geld
Weniger Reklamationen
Erhöhte Qualität und Sicherheit der Bauteile
Verringerte Gefahr für Mensch und Umwelt durch Fehler in Bauteilen

Wer darf eine ZfP durchführen?

Die zerstörungsfreie Prüfung unterliegt einer Norm, der DIN EN ISO 9712. Gemäß dieser Norm dürfen nur zertifizierte Personen zerstörungsfreie Prüfverfahren durchführen. Die Zertifizierung folgt strengen Richtlinien, um die Qualität und Sicherheit der Prüfungen zu gewährleisten.

Je nach Erfahrung und Ausbildung können zertifizierte Personen drei Stufen in ihrem jeweiligen Prüfverfahren erreichen. Für jedes Prüfverfahren wird eine eigene Zertifizierung benötigt. Eine nur für die Ultraschallprüfung zertifizierter Person darf beispielsweise keine zerstörungsfreie Röntgenprüfung oder Wirbelstromprüfung durchführen.

Die drei Stufen der Zertifizierung umfassen folgendes:

Stufe 1: Berechtigung, Prüfverfahren durchzuführen und die Prüfergebnisse zu dokumentieren
Stufe 2: Berechtigung, Prüfergebnisse zusätzlich zu bewerten (nach Normen und Regelwerken)
Stufe 3: Die prüfende Person darf die Entscheidung über das passende Prüfverfahren fällen, die Art der Durchführung des Verfahrens vorgeben und trägt zusätzlich die Verantwortung für die Einrichtung, in der geprüft wird

Die Zertifizierung wird von verschiedenen Zertifizierungsstellen wie der Deutschen Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP), der American Society for Non-Destructive Testing (ASNT) und weiteren Stellen erteilt. Diese benötigen wiederum eine Bestätigung der Deutschen Akkreditierungsstelle (DAkkS).

Die Zertifikate müssen alle 5 Jahre erneuert werden, um sicherzustellen, dass die prüfenden Personen über aktuelles Wissen und Know-how in ihren Prüfverfahren verfügen.

KI: Die Vorteile von NDT 4.0

Die industrielle Computertomographie hat sich zu einer der wichtigsten Verfahren der ZfP entwickelt. Komplexe innere Strukturen werden zerstörungsfrei und in 3D auf Fehler geprüft. Dadurch werden die Prozessparameter aufeinander abgestimmt und der Fertigungsprozesse kontinuierlich verbessert.

Die Digitalisierung und Automatisierung der zerstörungsfreien Prüfung läutet den Fortschritt der Industrie ein und wird als ZfP 4.0 oder NDT 4.0 bezeichnet. Vor allem der Einsatz von KI bringt Vorteile, denn Faktoren wie Müdigkeit beeinflussen Prüfungen durch einen Menschen. Diese Faktoren spielen bei einer automatisierten ZfP keine Rolle. Hinzu kommt: Prüfergebnisse oder Bewertungen von Fehlern können sich von Mensch zu Mensch unterscheiden. Auch Prüfungen von ein und derselben Person können bspw. aufgrund von Müdigkeit unterschiedlich ausfallen. Durch die KI-basierte automatische Defekterkennung werden menschliche Fehler ausgeschlossen und Prüfergebnisse maximal reproduzierbar. Dank Machine Learning kann die KI auch jederzeit neue Prüfparameter erlernen und der Prüfprozess stetig verbessert werden. Das Ziel von NDT 4.0 ist, die zerstörungsfreie Prüfung auf das nächste Level zu bringen und menschliches Know-how sowie Erfahrungen mit der Effizienz von künstlicher Intelligenz zu vereinen und eine Synergie zu schaffen.

Durch die KI-basierte automatische Defekterkennung werden menschliche Fehler ausgeschlossen und Prüfergebnisse maximal reproduzierbar. Dank Machine Learning kann die KI auch jederzeit neue Prüfparameter erlernen und der Prüfprozess stetig verbessert werden. Das Ziel von NDT 4.0 ist, die zerstörungsfreie Prüfung auf das nächste Level zu bringen und menschliches Know-how sowie Erfahrungen mit der Effizienz von künstlicher Intelligenz zu vereinen und eine Synergie zu schaffen.