Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien akustischen Untersuchen zumindest eines Bereichs eines Bauteils einer Strömungsmaschine auf Seigerungen.

Mit dem Begriff Seigerung werden Entmischungen einer Metalllegierungsschmelze beim Über- gang der Schmelze in den festen Zustand bezeichnet, die zu einer örtlichen Zu- und/oder Abnahme von bestimmten Elementen innerhalb des Mischkristalls der Metalllegierung führen. Durch Seigerungen ergeben sich daher lokal unterschiedliche Werkstoffeigenschaften innerhalb eines Bauteils. Beispielsweise sind in Bauteilen von Strömungsmaschinen wie etwa Triebwerks- scheiben aus Nickelbasis-Legierungen sogenannte„Dirty White Spots“ bekannt, die im Betrieb des Triebwerks durch langeinwirkende Low Cycle Fatigue-Belastungen zu Rissbildungen führen können.

Es ist bekannt, Oberflächen von Bauteilen wie etwa Triebwerksscheiben mittels Ätzprüfung auf Seigerungen hin zu untersuchen. Solche Ätzprüfungen sind aber nicht für den Nachweis von Sei- gerungen, die unter der Oberfläche des Bauteils liegen, geeignet und beeinträchtigen zudem das Bauteil. Mit der Entwicklung von modernen Strömungsmaschinen wie beispielsweise von Flugtriebwerken werden vermehrt Inspektionsverfahren benötigt, mit denen Bauteile nicht-invasiv und zerstörungsfrei auf Fehler geprüft werden können. Zur nicht-invasiven Prüfung wird inzwischen in vielen Fällen standardmäßig Ultraschalltechnik eingesetzt. Hierbei wird ein Ultraschallbündel erzeugt und fokussiert in ein Volumenelement des Bauteils eingeschallt. Die reflektierten Echo-Signale werden empfangen und die Amplituden der Einzelsignale aufsummiert, wodurch sich das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert. Das aufsummierte Signal wird dann zur Prüfung auf etwaige Anomalien herangezogen.

Insbesondere verdeckte, das heißt im Inneren eines Bauteils liegende Seigerungen konnten bislang mit dieser Methode aber nicht nachgewiesen werden, da bei dieser Form der Ultraschalluntersuchung Echo-Signale der Seigerungen im Gefügerauschen verschwinden.

BESTATIGUNGSKOPIE Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum zerstörungsfreien akustischen Un- tersuchen zumindest eines Bereichs eines Bauteils einer Strömungsmaschine zu schaffen, welches eine Identifizierung von im Inneren des Bauteils liegenden Anomalien ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine entsprechende Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens zu schaffen.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentan- spruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal- tungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprü- chen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens als vorteilhafte Ausgestal- tungen der Vorrichtung und umgekehrt anzusehen sind.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum zerstörungsfreien akustischen Unter- suchen zumindest eines Bereichs eines Bauteils einer Strömungsmaschine auf Seigerungen. Eine Identifizierung von im Inneren des Bauteils liegenden Seigerungen wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass zumindest die Schritte a) Anordnen eines mehrere Einzelschwinger umfassenden Senders an dem zu untersuchenden Bereich des Bauteils, b) Einschallen wenigstens eines Ultraschallbündels mittels des Senders in das Bauteil, c) Empfangen wenigstens eines durch das Bauteil reflektierten Ultraschallbündels mittels eines mehrere Einzelempfänger umfas- senden Empfängers und d) Prüfen anhand des empfangenen Ultraschallbündels, ob eine eine Sei- gerung charakterisierende Abweichung im Bereich des Bauteils vorliegt, durchgeführt werden. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mit Hilfe eines Senders, der auch als Ultraschallgruppenstrahler oder Multielement-Prüfkopf bezeichnet werden kann, ein Ultra- schallbündel erzeugt und in den zu untersuchenden Bereich des Bauteils eingeschallt wird. Diese Einzelsender können individuell und/oder gruppenweise angeregt werden, um das Ultraschall- bündel zu erzeugen. In einfachster Ausgestaltung können zwei Einzelsender vorgesehen sein, so dass beispielsweise ein zweielementiger Prüfkopf aus einem Zentralschwinger und einem Rin- gelement als Sender verwendet werden kann. In Abhängigkeit der Materialbeschaffenheit am un- tersuchten Ort des Bauteils wird das Ultraschallbündel spezifisch reflektiert und als Echo-Signal mittels des Empfängers empfangen. Der Empfänger besitzt analog zum Sender zwei oder mehr Einzelempfänger und erlaubt damit eine Vielkanal-Messwerterfassung des Gefügerauschsignals. Die einzelnen Wellenfronten des Ultraschallbündels überlagern sich dabei konstruktiv und de struktiv und breiten sich im zu prüfenden Bauteil aus, wobei sie an Seigerungen, Hohlräumen, Rissen, Einschlüssen, der Rückwand des Bauteils und anderen Materialgrenzen wie eine konven- tionelle Ultraschallwelle reflektiert werden. Im Unterschied zum Stand der Technik wird das re- flektierte Ultraschallbündel anschließend nicht zu einem einzelnen Summensignal aufsummiert, sondern bleiben zusammen mit ihrem räumlichen Zusammenhang erhalten und einzeln identifi- zierbar und können zur Prüfung auf das Vorhandensein von Seigerungen verwendet werden. Hierdurch ist eine besonders zuverlässige und zerstörungsfreie Identifizierung auch von im Inne- ren des Bauteils liegenden Seigerungen und gegebenenfalls von sonstigen Anomalien wie bei- spielsweise Einschlüssen, Hohlräumen und dergleichen ermöglicht. Generell sind„ein/eine“ im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel zu lesen, also ohne ausdrücklich gegenteili- ge Angabe immer auch als„mindestens ein/mindestens eine“. Umgekehrt können„ein/eine“ auch als„nur ein/nur eine“ verstanden werden. Das Verfahren kann grundsätzlich an neu herge- stellten Bauteilen zur Kontrolle des Herstellungsprozesses oder auch an bereits eingebauten bzw. benutzen Bauteilen zur Überprüfung ihres Zustands im Rahmen von Wartungen oder Überho- lungen durchgeführt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Sender ein Phased- Array-Sender und/oder als Empfänger ein Phased-Array-Empfänger verwendet wird. Ein Phased- Array-Sender ist ein Schallkopf mit einer organisierten Anordnung (Array) von mehreren Einzel- sendem, die in einer vorbestimmten Sequenz angeregt werden, um das Ultraschallbündel zu er- zeugen. Ein solcher Sender kann je nach Bauweise direkt oder in Kontakt- oder in Tauchtechnik am Bauteil angeordnet werden. Das Array kann generell ein Linien-Array, ein Matrix-Array, ein kreisförmiges Array oder dergleichen sein. Beispielsweise können mehrere oder alle Einzelsen- der mit unterschiedlichen oder gleichen Phasen angeregt werden. Alternativ können einer, meh- rere oder alle Einzelsender nacheinander senden und einer, mehrere oder alle Einzelempfanger des Phased-Array-Empfängers phasenrichtig empfangen (sogenanntes Full-Matrix-Capture). Mittels Durchtakten aller Einzelschwinger kann auf diese Weise das ganze Volumen des Bauteils hochauflösend geprüft werden. Entsprechendes gilt auf der Empfangsseite für einen als Phased- Array-Empfanger ausgebildeten Empfänger. Generell können Sender und Empfänger in einer Baugruppe zusammengefasst oder getrennt voneinander angeordnet sein. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass anhand des we- nigstens einen reflektierten Ultraschallbündels wenigstens ein Falschfarbenbild berechnet wird, wobei Farben des Falschfarbenbilds mit Einzelamplituden des Ultraschallbündels korrespondieren, und wobei anhand des wenigstens einen Falschfarbenbilds geprüft wird, ob eine eine Seige- rung charakterisierende Abweichung im Bereich des Bauteils vorliegt. Unter einem Falschfarbenbild wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Matrix aus einzelnen Punkten oder Pi- xeln verstanden, wobei die Werte der einzelnen Pixel mit jeweiligen Einzelamplituden des Ultraschallbündels korrespondieren und durch zugeordnete Farbwerte repräsentiert werden können. Beispielsweise kann dem Wert 0 die Farbe„Weiß“, dem Wert 1 die Farbe„Schwarz“, dem Wert 0,5 die Farbe„Blau“ usw. zugeordnet werden, wobei die Erfindung bezüglich der Farbkodierung nicht auf eine bestimmte Ausgestaltung beschränkt ist. Ebenfalls können die Einzelamplituden zur Farbkodierung unterschiedlichen Helligkeitsstufen eines einzelnen Farbtons zugeordnet werden. In einem Falschfarbenbild gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Einzelamplituden des Ultraschallbündels also nicht zu einem einzigen Wert aufsummiert, sondern bleiben zusammen mit ihrem räumlichen Zusammenhang erhalten und einzeln identifizierbar und damit auswertbar. Dieses Falschfarbenbild wird dann zur Prüfung auf Anomalien im untersuchten Bereich des Bauteils herangezogen. Die Prüfung kann im einfachsten Fall beispielsweise durch Vergleich des Falschfarbenbilds mit einem berechneten Vorgabebild und/oder durch Vergleich mit einem Vorgabebild, das anhand eines Referenzbauteils ermittelt wurde, erfolgen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Falschfarbenbild in Schritt d) als Graustufenbild berechnet wird, wobei Graustufen des Graustufenbilds mit Einzelamplituden des reflektierten Ultraschallbündels korrespondieren. Bei einem Graustufenbild kann jedes Pixel bzw. jeder Bildpunkt beispielsweise 256 verschiedene Färb- bzw. Helligkeitswerte von 0 (Schwarz oder Weiß) bis 255 (Weiß oder Schwarz) annehmen, die entsprechenden Amplitudenwerten des Ultraschallbündels zugeordnet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere Falschfarbenbilder zu einem Bilderstapel zusammengefasst, der für die Prüfung in Schritt d) verwendet wird. Hierdurch ist eine besonders zuverlässige Erkennung von verdeckten Anomalien ermöglicht. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Schritt a) als Sender ein zweidimensionaler Matrix-Sender mit X*Y Einzelsendem und/oder in Schritt c) ein zweidimensionaler Matrix-Empfanger mit X*Y Einzelempfangem verwendet wird, wobei X und Y unabhängig voneinander aus der Menge der ganzen positiven Zahlen Z>2 gewählt werden. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass der Sender bzw. Empfänger keine linear, sondern flächig entlang einer X- und einer Y-Achse angeordnete Einzelsender bzw. Einzelempfänger umfasst, wobei die Anzahl X der Einzelsender/Einzelempfänger entlang der X-Achse unabhängig von der Anzahl Y der Einzelsender/Einzelempfänger entlang der Y-Achse gewählt werden kann. Beispielsweise können X und Y gleich oder unterschiedlich gewählt werden und jeweils 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 oder mehr betragen. Weiterhin kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass sich das Array des Senders vom Array des Empfängers unterscheidet, wobei in der Re- gel beide Arrays vorzugsweise gleich gewählt werden. Ein Array mit 10*10 Einzelsen- dem/Einzelempfängem würde dementsprechend 100 Einzelsender/ Einzelempfänger umfassen, während ein Array mit 10*11 Einzelsendem 110 Einzelsender/ Einzelempfänger, ein Array mit 11*11 121 Einzelsender/Einzelempfänger usw. umfassen würde. Hierdurch kann die Größe bzw. das Volumen des zu untersuchenden Bereichs optimal berücksichtigt werden, wobei sämtliche möglichen Array- Ausgestaltungen über ein entsprechend dimensioniertes Falschfarbenbild berücksichtigt werden können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Schritt b) das Ultraschallbündel mit einer Frequenz zwischen 500 kHz und 20 MHz erzeugt und eingestrahlt wird. Unter einer Frequenz zwischen 500 kHz und 20 MHz werden vorliegende beispielsweise Frequenzen von 500 kHz, 550 kHz, 600 kHz, 650 kHz, 700 kHz, 750 kHz, 800 kHz, 850 kHz, 900 kHz, 950 kHz, 1000 kHz, 1,5 MHz, 2,0 MHz, 2,5 MHz, 3,0 MHz, 3,5 MHz, 4,0 MHz, 4,5 MHz, 5,0 MHz, 5,5 MHz, 6,0 MHz, 6,5 MHz, 7,0 MHz, 7,5 MHz, 8,0 MHz, 8,5 MHz, 9,0 MHz, 9,5 MHz, 10,0 MHz, 10,5 MHz, 11,0 MHz, 11,5 MHz, 12,0 MHz, 12,5 MHz, 13,0 MHz, 13,5 MHz, 14,0 MHz, 14,5 MHz, 15,0 MHz, 15,5 MHz, 16,0 MHz, 16,5 MHz, 17,0 MHz, 17,5 MHz, 18,0 MHz, 18,5 MHz, 19,0 MHz, 19,5 MHz oder 20,0 MHz sowie entsprechende Zwischenwerte zu verstehen. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass das Ultraschallbündel in einen Oberflächenbereich des Bauteils mit einer Fläche zwischen 1 mm ² und 1000 mm ² eingeschallt wird. Un- ter einer Fläche zwischen 1 mm ² und 1000 mm ² werden vorliegend Flächen von 1 mm ² , 2 mm ² ,

3 mm ² , 4 mm ² , 5 mm ² , 6 mm ² , 7 mm ² , 8 mm ² , 9 mm ² , 10 mm ² , 20 mm ² , 30 mm ² , 40 mm ² , 50 mm ² , 60 mm ² , 70 mm ² , 80 mm ² , 90 mm ² , 100 mm ² , 200 mm ² , 300 mm ² , 400 mm ² , 500 mm ² , 600 mm ² , 700 mm ² , 800 mm ² , 900 mm ² oder 1000 mm ² sowie entsprechende Zwischenwerte wie beispielsweise 10 mm ² , 11 mm ² , 12 mm ² , 13 mm ² , 14 mm ² , 15 mm ² , 16 mm ² , 17 mm ² ,

18 mm ² , 19 mm ² , 20 mm ² usw. verstanden. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass das Ultraschallbündel in eine Einschalltiefe zwischen 1 mm und 100 mm in das Bauteil eingeschallt wird. Unter einer Einschalltiefe zwischen 1 mm und 100 mm werden vorliegend beispielsweise Einschalltiefen von 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm, 10 mm,

11 mm, 12 mm, 13 mm, 14 mm, 15 mm, 16 mm, 17 mm, 18 mm, 19 mm, 20 mm, 21 mm,

22 mm, 23 mm, 24 mm, 25 mm, 26 mm, 27 mm, 28 mm, 29 mm, 30 mm, 31 mm, 32 mm,

33 mm, 34 mm, 35 mm, 36 mm, 37 mm, 38 mm, 39 mm, 40 mm, 41 mm, 42 mm, 43 mm,

44 mm, 45 mm, 46 mm, 47 mm, 48 mm, 49 mm, 50 mm, 51 mm, 52 mm, 53 mm, 54 mm,

55 mm, 56 mm, 57 mm, 58 mm, 59 mm, 60 mm, 61 mm, 62 mm, 63 mm, 64 mm, 65 mm,

66 mm, 67 mm, 68 mm, 69 mm, 70 mm, 71 mm, 72 mm, 73 mm, 74 mm, 75 mm, 76 mm,

77 mm, 78 mm, 79 mm, 80 mm, 81 mm, 82 mm, 83 mm, 84 mm, 85 mm, 86 mm, 87 mm,

88 mm, 89 mm, 90 mm, 91 mm, 92 mm, 93 mm, 94 mm, 95 mm, 96 mm, 97 mm, 98 mm,

99 mm oder 100 mm verstanden. Grundsätzlich können auch größere Einschalltiefen vorgesehen sein, sofern das reflektierte Signal noch eine zuverlässige Auswertung erlaubt. Hierdurch können die Materialeigenschaften und die Geometrie des Bauteils bei der Prüfung gezielt berücksichtigt werden.

Weitere Vorteile ergeben sich, indem das reflektierte Ultraschallbündel in Schritt c) mittels eines Senders als Empfängers und/oder mittels eines vom Sender separaten Empfängers empfangen wird. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass der Sender auch als Empfänger verwendet wird oder dass der Sender und der Empfänger räumlich getrennte Elemente sind, die in getrennten Gehäusen oder in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein können. Hierdurch kann der in- dividuellen Geometrie des zu prüfenden Bauteils optimal Rechnung getragen werden.

Weitere Vorteile ergeben sich, indem zumindest die Schritte b) bis d) mehrfach wiederholt werden. Hierdurch kann für ein und denselben Prüfbereich bzw. für ein und dasselbe Prüfvolumen des Bauteils ein zeitlicher Verlauf der Ultraschallbündel ermittelt und zur Prüfung herangezogen werden, beispielsweise indem mehrere Falschfarbenbilder ermittelt und ausgewertet werden und/oder indem die Schallsignale (Gefügesignaturen) einem neuronalem Netz zur Auswertung zugeführt werden. Alternativ oder zusätzlich können mehrere Bereiche des Bauteils auf Seigerungen und gegebenenfalls weitere Anomalien geprüft werden, wobei hierzu gegebenenfalls auch der Sender gemäß Schritt a) relativ zum Bauteil bewegt wird, um die weiteren Bereiche zur Prüfung zu beschallen.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn mehrere Ultraschallbündel in unterschiedlichen Richtungen in das Bauteil eingeschallt werden und/oder dass mehrere Ultraschallbündel in unterschiedliche Tiefen des Bauteils eingeschallt werden und/oder dass für mehrere Ultraschallbündel unter- schiedliche Fokuspunktgrößen eingestellt werden. Über die Parameter Winkel, Fokusabstand und Fokuspunktgröße können die Ultraschallbündel dynamisch so angepasst werden, dass ein einzi- ger Sender/Empfänger das gesamte zu prüfende Bauteil aus verschiedenen Perspektiven prüfen kann. Die Ultraschallbündelparameter werden hierzu einzeln oder in beliebiger Kombination geändert, so dass das Bauteil in sehr kurzer Zeit mit verschiedenen Winkeln, mit mehreren Fokustiefen und/oder mit unterschiedlicher Detailgenauigkeit geprüft werden kann.

Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Prüfung in Schritt d) mittels eines künstlichen neurona len Netzes, das insbesondere durch ein Deep Leaming- Verfahren trainiert wurde, durchgeführt wird. Künstliche neuronale Netze sind Netze aus künstlichen Neuronen und eignen sich besonders gut zur Auswertung des oder der Falschfarbenbilder. Beim Deep Leaming erlernt ein Computermodell die Durchführung von Klassifikationsaufgaben beispielsweise direkt aus dem oder den Falschfarbenbildem, welche Repräsentation der akustischen Daten darstellen. Alternativ oder zusätzlich können Ultraschallsignale (Gefügesignaturen) direkt oder in bearbeiteter Form zum Trainieren des neuronalen Netzes verwendet werden. Hierzu können beispielsweise Ultraschallsignale verwendet werden, die an einem definierten Testkörper oder Schlechtteil mit einem oder mehreren lokalen Grobkombereichen gewonnen werden. Ein solcher qualifizierter Testkörper mit künstlichen Seigerungen, der beispielsweise über Röntgen-CT charakterisiert sein kann, erlaubt ein besonders schnelles und zuverlässiges Anlemen eines neuronalen Netzes. Ein verwendetes Deep Leaming-Modell kann gegebenenfalls auch zunächst anhand umfangreicher Sätze klassifizierter Daten und anhand neuronaler Netzarchitekturen trainiert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein einschichtiges oder mehrschichtiges feedforward-Netz und/oder ein rekurrentes Netz verwendet wird. Hier- durch kann die Komplexität der Prüfaufgabe, die unter anderem von der Geometrie und Struktur des Bauteils abhängen kann, optimal berücksichtigt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es vor- gesehen, dass das neuronale Netz anhand wenigstens eines Gutteils und/oder wenigstens eines Schlechtteils trainiert wird. Unter einem Gutteil wird dabei ein Bauteil verstanden, dass in einer separaten, nicht notwendigerweise akustischen Prüfung bereits für„in Ordnung“ befunden wurde und dem zu prüfenden Bauteil zumindest im für die Aussagekraft des Prüfergebnisses ausreichenden Maße entspricht. Unter einem Schlechtteil wird dementsprechend ein dem zu prüfenden Bauteil ausreichend entsprechendes Bauteil verstanden, welches eine oder mehrere bekannte bzw. gezielt erzeugte Anomalien aufweist, von denen vermutet wird, dass sie auch im zu prüfenden Bauteil auftreten könnten. Beispielsweise können künstlich eingebrachte Seigerungen im Schlechtteil vorhanden sein, die zum Trainieren des Modells verwendet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Zeitsignale des wenigstens einen Ultraschallbündels in den menschlichen Hörbereich skaliert werden und/oder dass das wenigstens eine Ultraschallbündel mittels eines Sound Event Classification- Verfahrens ausgewertet wird. Hierdurch kann das Ultraschallsignalbündel mit Hilfe von Signalverarbei- tungs- und Klassifizierungsmethoden aus der Hör-, Sprach- und Audiotechnologie, das heißt im für den Menschen wahrnehmbaren Frequenzbereich zwischen etwa 20 Hertz und etwa 22 kHz, ausgewertet werden.

Eine verbesserte Kontrolle für einen das Prüfverfahren durchführenden Benutzer wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch ermöglicht, dass wenigstens ein Falschfarbenbild und/oder ein Prüfungsergebnis mittels einer Anzeigeeinrichtung angezeigt wird. Im Falle mehrerer Falschfarbenbilder können diese auch als Bilderstapel angezeigt werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass identifizierte Anomalien in wenigstens einem Falschfarbenbild kenntlich gemacht werden. Dies kann durch die Verwendung von ausreichend kontrastreichen Signalfarben, durch Animationen oder anderweitige optische, haptische und/oder akustische Hinweise an den Benutzer erfolgen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Falschfarbenbild und/oder eine identifizierte Anomalie in einem gegebenenfalls transparenten oder semitransparenten 2D/3D-Modell des geprüften Bauteils mit seiner korrekten Lokalisation im Bauteil angezeigt wird. Dies erlaubt eine besonders einfache Entscheidung darüber, ob das Bauteil im Fall einer erkannten Anomalie trotzdem den geforderten Spezifikationen entspricht oder ob es reparabel oder irreparabel ist. Das erfmdungsgemäße Verfahren kann auch in Form eines Computerprogramm(produkt)s vor- liegen, das das Verfahren auf einer Steuereinheit implementiert, wenn es auf der Steuereinheit ausgeführt wird. Ebenso kann ein elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen vorgesehen sein, welche zumindest ein beschriebenes Computerprogrammprodukt umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Steuereinheit das erfindungsgemäße Verfahren durchfuhren.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchfuhren eines Verfahrens gemäß dem ersten Erfmdungsaspekt. Die erfmdungsgemäße Vorrichtung umfasst hierzu wenigs- tens einen mehrere Einzelschwinger umfassenden Sender, welcher an wenigstens einem zu un- tersuchenden Bereich des Bauteils anordenbar ist und mittels welchem wenigstens ein Ultra- schallbündel in das Bauteil einschallbar ist, wenigstens einen mehrere Einzelempfanger umfas- senden Empfänger zum Empfangen wenigstens eines durch das Bauteil reflektierten Ultraschall- bündels und wenigstens eine zum Datenaustausch mit dem Empfänger gekoppelte Recheneinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, wenigstens ein zweidimensionales Falschfarbenbilds an- hand des wenigstens einen reflektierten Ultraschallbündels zu prüfen, ob eine eine Seigerung charakterisierende Abweichung im Bereich des Bauteils vorliegt. Die erfmdungsgemäße Vorrich tung ermöglicht damit eine Identifizierung von im Inneren des zu prüfenden Bauteils liegenden Seigerungen und gegebenenfalls von weiteren Anomalien. Unter dem Ausdruck„eingerichtet zu“ ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine Recheneinrichtung zu verstehen, die nicht nur eine allgemeine Eignung zur Durchführung des entsprechenden Teils des Verfahrens gemäß dem ersten Erfmdungsaspekt besitzt, sondern konkret durch hard- und/oder softwareseitige Maßnahmen zur Durchführung der betreffenden Schritte ausgebildet ist und diese bei einer bestim- mungsgemäßen Benutzung auch durchführt. Die Recheneinrichtung weist üblicherweise eine Prozessoreinrichtung auf, die zumindest aus einem Mikroprozessor und/oder einem Mikrocon- troller besteht. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung eine Ausführungsform des Verfah- rens gemäß dem ersten Erfmdungsaspekt durchzuführen. Der Programmcode kann in einem mit der Prozessoreinrichtung gekoppelten Datenspeicher gespeichert sein. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vor- teilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des jeweils anderen Erfindungsaspekts anzusehen sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sender ein Matrix- Sender, insbesondere ein Phased-Array-Sender ist und/oder dass der Empfänger ein Matrix- Empfanger, insbesondere ein Phased-Array-Empfanger ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, wenigstens ein zweidimensionales Falschfarbenbild anhand des wenigstens einen reflektierten Ultraschallbündels zu berechnen und anhand des wenigstens einen Falschfarbenbilds zu prüfen, ob eine eine Seigerung charakterisierende Abweichung im Bereich des Bauteils vorliegt, und/oder dass die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, anhand des we- nigstens einen reflektierten Ultraschallbündels mittels eines künstlichen neuronalen Netzes, das insbesondere durch ein Deep Leaming-Verfahren trainiert wurde, zu prüfen, ob eine eine Seige- rung charakterisierende Abweichung im Bereich des Bauteils vorliegt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen wenigstens eines Falschfarbenbilds und/oder eines Prüfungsergebnisses auf. Vorzugsweise ist die gesamte Vorrichtung als tragbares Gerät, vorzugsweise mit eigener Stromversorgung, ausgebildet, so dass die Ultraschalluntersuchung, Datenbearbeitung, Prüfung und Bildanzeige ohne zusätzliche Hilfsmittel direkt am Bauteil bzw. an der Strömungsmaschine erfolgen kann.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer Recheneinrichtung einer Vorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt ladbar ist, mit Programm-Mitteln, um die Schritte des Verfahrens gemäß dem ersten Erfindungsaspekt auszuführen, wenn das Programm in der Recheneinrichtung ausgefuhrt wird.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen elektronisch lesbaren Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen, welche zumindest ein Computerpro- gramm gemäß dem vorhergehenden Erfindungsaspekt umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Recheneinrichtung einer Vorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt ein Verfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt durchfuhren.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figu- renbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskom- binationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figu- ren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils ange- gebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch se- parierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die so- mit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der An- sprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematisch Schnittansicht eines als Turbinenscheibe ausgebildeten Bauteils, an welchem eine zerstörungsfreie, akustische Untersuchung durchgeführt wird;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Erzeugung eines Ultraschallbündels;

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung des Empfangs eines von einem Bereich des Bauteils reflektierten Ultraschallbündels ;

Fig. 4 ein exemplarisches Falschfarbenbild mit einzelnen Pixeln zugeordneten Amplitudenwer- ten des reflektierten Ultraschallbündels;

Fig. 5 ein exemplarisches Zeitsignal entlang eines Tiefenbereichs des Bauteils;

Fig. 6 eine Detailvergrößerung des in Fig. 5 gezeigten Bereichs VI; und Fig. 7 einen Bilderstapel aus mehreren, zeitlich aufeinander folgenden Falschfarbenbilden.

Fig. 1 zeigt eine schematisch Schnittansicht eines als Turbinenscheibe eines Flugtriebwerks aus- gebildeten Bauteils 10, an welchem eine zerstörungsfreie, akustische Untersuchung auf das Vor- handensein von Anomalien wie beispielsweise Seigerungen im Werkstoff des Bauteils 10 durch- geführt wird. Hierzu wird ein Sender 12 mit einem Array an Einzelsendem 14 an einem zu unter suchenden Bereich I des Bauteils 10 angeordnet. Der Sender 12, bei welchem es sich um einen Phased-Array-Sender handeln kann, weist im vorliegenden Beispiel 121 Einzelsender 14 auf, die in Form einer 2D-Matrix in einem quadratischen X*Y Raster mit X, Y=l 1 angeordnet sind. Anschließend wird wenigstens ein Ultraschallbündel 16 mittels des Senders 12 erzeugt und fokus- siert in das Bauteil 10 eingeschallt. Der Durchmesser des Ultraschallbündels 16 wird typischer- weise auf etwa 1 mm bis etwa 3 mm eingestellt. Die Einschalltiefe ti kann dabei bedarfsgemäß konstant oder variabel gewählt werden. In einem Ausführungsbeispiel ist die Einschalltiefe bzw. der Tiefenbereich ti 10 mm. Bei einer Schallgeschwindigkeit von typischerweise etwa 6000 m/s entspricht dies etwa 3,3 ps Laufzeit bis zu einer Tiefe von 10 mm (Laufzeit=Hin- und Rücklauf). Bei einer typischen Digitalisierungsrate von 100 Megasamples pro Sekunde ergeben sich damit 330 Amplitudenwerte. Alternativ oder zusätzlich kann grundsätzlich aber auch der gesamte Be- reich I des Bauteils 10 von der Innenseite bis zur Außenseite der Turbinenscheibe 10 geprüft werden.

Mit Hilfe des Senders 12, welcher vorliegend auch zum Empfangen wenigstens eines durch das Bauteil 10 reflektierten Ultraschallbündels 18 (s. Fig. 3) als Empfänger 20, beispielsweise als Phased-Array-Empfanger, ausgebildet ist, wird das wenigstens eine durch das Bauteil 10 reflek- tierte Ultraschallbündel 18 empfangen und an eine Recheneinrichtung 22 zur weiteren Auswer- tung übermittelt. Die Sende-/Empfangsfläche kann beispielsweise 15 mm* 15 mm=225 mm ² be tragen.

Anhand des Ultraschallbündels 18 berechnet die Recheneinrichtung 22 in einer Ausführungsform der Erfindung wenigstens ein Falschfarbenbild 24 (vgl. Fig. 4), wobei Farben des Falschfarbenbilds 24 mit Einzelamplituden des empfangenen Ultraschallbündels 18 korrespondieren. Mit an- deren Worten erfolgt im vorliegenden Beispiel eine Umwandlung der 11*11 reflektierten Ultra- schall-Amplituden in das 2D-Falschfarbenbild 24, bei dem es sich beispielsweise um ein Graustufenbild handeln kann. Für die oben genannte exemplarische Einschalltiefe von 10 mm, einer Digitalisierungsrate von 100 Megasamples pro Sekunde und einem exemplarisch 11 *11 großen Matrixarray hätte ein 2D-Falschfarbenbild eine Größe von 330 Spalten und 121 Zeilen. Große Amplituden können dabei mit dunklen Farbwerten charakterisiert werden, während kleine Amplituden mit hellen Farbwerten charakterisiert werden. Natürlich kann auch eine umgekehrte oder abweichende Farbgebung vorgesehen sein. Eine im Stand der Technik übliche Summation der Einzelamplituden findet nicht statt. Generell kann es vorgesehen sein, dass durch einen entsprechenden Offset positive und negative Amplitudwerte ausschließlich in einem positiven Be- reich abgebildet bzw. ausschließlich durch positive Zahlenwerte charakterisiert werden, wodurch unzulässige negative Werte für einzelne Bildpunkte zuverlässig vermieden werden. Alternativ sind aber auch andere geeignete Abbildungsalgorithmen denkbar.

Anhand des wenigstens einen Falschfarbenbilds 24 wird mittels der Recheneinrichtung 22 in ei- nem Ausführungsbeispiel geprüft, ob eine eine Seigerung oder sonstige Anomalie charakterisierende Abweichung im untersuchten Bereich I des Bauteils 10 vorliegt. Alternativ oder zusätzlich zum Falschfarbenbild 24 können die empfangenen Ultraschallbündel 18 direkt oder nach einer Skalierung aus dem Megaherz- in den Kiloherzbereich zur Prüfung verwendet werden. Die Prüfung kann beispielsweise mittels tiefer neuronaler Netze bzw. durch ein Deep Leaming-Modell vorgenommen werden. Das neuronale Netz bzw. das oder die verwendeten Deep Leaming- Modelle kann bzw. können zuvor grundsätzlich mit Hilfe von an Gut- und Schlechtteilen gewonnenen Daten trainiert werden. Die Prüfzeit ist extrem kurz, da die Ultraschallbündel 16, 18 zeitgleich bzw. in sehr kurzen Zeitintervallen erzeugt und verarbeitet werden können. Damit kann das gesamte Bauteil 10 mit entsprechend kurzem Zeitaufwand vollständig überprüft werden. Ebenfalls kann es vorgesehen sein, dass eine sogenannte Sound Event Classification zur Verarbeitung der Ultraschallbündel 18 und zur Prüfung auf das Vorhandensein von Seigerungen verwendet wird. Hierzu können die Zeitsignale der Ultraschallbündel 18 wie bereits erwähnt zunächst in den menschlichen Hörbereich skaliert und anschließend auf das Vorhandensein von Schallsignalen, die als Gefügesignaturen für Seigerungen typisch sind, ausgewertet werden.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung der Erzeugung eines Ultraschallbündels 16. Dabei wird ein Puls 26 von einem Pulsgenerator (nicht gezeigt) erzeugt und gemäß Pfeil II zu einer grundsätz- lieh optionalen Verzögerungsschaltung 28 geleitet. Diese erzeugt durch Phasenmodulierung mehrere zeitversetzte Pulse 30, die an die piezoelektrischen Einzelsender 14 geleitet werden. Durch die Pulse 30 werden die Einzelsender 14 zu unterschiedlichen Zeitpunkten komprimiert und springen nach dem Spannungsabfall, normalerweise nach weniger als einer Mikrosekunde, in ihre ursprüngliche Form zurück. Dabei erzeugen sie einen mechanischen Energieimpuls, der eine Ultraschallwelle erzeugt. Die individuellen Ultraschallwellen bilden das Ultraschallbündel 16, das gegebenenfalls fokussiert in Richtung des zu prüfenden Bereichs I abgestrahlt wird. Durch phasenrichtige Ansteuerung auf ein kleines PrüfVolumen des Bauteils 10 werden auch kleine Fehlstellen (Seigerungen, Poren, Risse etc.) nachweisbar.

In einer alternativen Ausgestaltung wird jeweils nur ein einzelner Einzelsender 14 strombeauf- schlagt, um einen Ultraschallpuls auszusenden. Der reflektierte Ultraschallpuls wird von allen Einzelempfängem 32 phasenrichtig empfangen (sogenanntes Full-Matrix-Capture). Mittels Durchtakten aller Einzelsender 14 kann auf diese Weise das ganze Volumen des Bauteils 10 hochauflösend geprüft werden, wobei die Prüfung im Vergleich zur anderen Ausführungsform zeitaufwendiger ist.

Fig. 3 zeigt eine Prinzipdarstellung des Empfangs eines vom untersuchten Bereich I des Bauteils 10 reflektierten Ultraschallbündels 18. Die einzelnen Ultraschallwellen des reflektierten Ultraschallbündels 18 werden von jeweiligen Einzelempfängem 32 des Empfängers 20 empfangen, digitalisiert und an die Recheneinrichtung 22 geleitet, wo sie gegebenenfalls in ein Falschfarbenbild 24 umgerechnet und/oder einem neuronalen Netz zur Auswertung übergeben werden.

Fig. 4 zeigt ein exemplarisches Falschfarbenbild 24 mit einzelnen Pixeln zugeordneten Amplitu denwerten des reflektierten Ultraschallbündels 18. Das Falschfarbenbild 24 entspricht exempla- risch einem Ergebnis, das mit Hilfe eines 2D-Matrix-Senders 12 mit 5*5 Einzelsendem 14 bzw. einem 2D-Matrix-Empfängers 20 mit 5*5 Einzelempfängem 32 erhalten würde. Man erkennt, dass kleinen Amplituden wie beispielsweise 0,04 helle Farbwerte zugeordnet wurden, während großen Amplituden wie beispielsweise 0,96 dunkle Farbwerte zugeordnet wurden. Weiterhin er- kennt man, dass nicht nur die Amplitudenwerte, sondern auch der örtliche Zusammenhang der einzelnen Ultraschallwellen, die die Ultraschallbündel 16, 18 gebildet haben, als auswertbare In- formation erhalten bleibt. Das Falschfarbenbild 24 kann einem Prüfer des Bauteils 10 angezeigt werden.

Fig. 5 zeigt ein exemplarisches Zeitsignal entlang eines Tiefenbereichs ti des Bauteils über eine Zeit t von 3 ps, wobei der Tiefenbereich ti zwischen 0 mm und 10 mm ausgehend von der Ober- fläche des Bauteils 10 beträgt. Dabei sind lediglich die Amplitudenwerte S(t) einer einzelnen Ult- raschallwelle aus dem reflektierten Ultraschallbündel 18 gezeigt. Fig. 6 zeigt eine Detailvergrößerung des in Fig. 5 gezeigten Bereichs VI. Der mit T bezeichnete zeitliche Abstand zwischen zwei Messwerten beträgt vorliegend exemplarisch etwa 10 ns, was 100 Megasamples pro Sekun- de entspricht.

Fig. 7 zeigt einen Bilderstapel 34 aus aufeinander folgenden Falschfarbenbilden 24i, 24 ₂ , 24 ₃ usw. Dies erlaubt neben der Einbeziehung des räumlichen Zusammenhangs auch die Berücksichtigung der spektralen Zusammensetzung der einzelnen Ultraschallwellen, aus denen sich das Ultraschallbündel 18 zusammensetzt. Beispielsweise kann zunächst ein Ultraschallbündel 16 mit einer Frequenz von 10 MHz erzeugt werden, was zu einem entsprechenden reflektierten Ultra- schallbündel 18 fuhrt. In Abhängigkeit der Frequenz der Messung, z. B. bei 15 MHz oder 20 MHz, erhält man hierdurch eine Vielzahl n an Falschfarbenbildem 24 _n , welche eine entsprechend präzise Auswertung und damit eine besonders zuverlässige Identifizierung von Seigerungen und sonstigen Anomalien ermöglichen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden folgende Schritte durchgeführt:

Unter Verwendung konventioneller Ultraschall-Phased-Array-Technik (Multielement-Prüfkopf, Vielkanal-Messwerterfassung) wird eine Vielkanalerfassung des Gefügerauschsignals des Bauteils 10 bei zeitlich leicht variierender Beschallungsrichtung des Grobkombereichs durchgeführt. Die reflektierten Schallsignale (Gefügesignaturen) werden einem neuronalem Netz zugeführt. Das neuronale Netz wurde zuvor mittels Deep Leaming auf die Signatur von bekannten Seigerungen trainiert. Hierzu wurde ein Testkörper mit vielen definierten lokalen Grobkombereichen verwendet. Die Ultraschallbündel werden skaliert (MHz -> KHz) und mit Hilfe eines Sound Event Classification Verfahren im menschlichen Hörbereich klassifiziert und ausgewertet. Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedin- gungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen - beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlem, Einwaagefehlem, DDM-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.

Bezugszeichenliste:

10 Bauteil

12 Sender

14 Einzelsender

16 Ultraschallbündel

18 Ultraschallbündel

20 Empfänger

22 Recheneinrichtung 24 Falschfarbenbild

26 Puls

28 Verzögerungsschaltung 30 Puls

32 Einzelempfanger

34 Bilderstapel

I Bereich

VI Bereich

t Zeit

ti Tiefenbereich

T Zeit zwischen Messpunkten