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Qualitätssicherung im 3D-Druck

Messtechnik
Qualitätssicherung: Millimeterwellen machen Strukturen in Bauteilen aus dem 3D-Drucker sichtbar

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Kunststoffe lassen sich kontaktlos und zerstörungsfrei mit dem Stand Alone Millimeter Wave Imager des Fraunhofer FHR scannen (Bild:Fraunhofer FHR)
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Millimeterwellen werden bereits als Abstandsmesser in Körperscannern und bei der Posteingangskontrolle eingesetzt. Sie eignen sich aber auch sehr gut zur kontaktlosen zerstörungsfreien Detektion von Fremdkörpern und Fehlstellen in dielektrischen Materialien wie Kunststoffen – und damit zur Qualitätssicherung in der Produktion, auch im 3D-Druck.

Anke Biester
Wissenschaftsjournalistin aus Aichstetten

Wer aufgrund einer Geschwindigkeitsüberschreitung im Auto geblitzt wurde, hat die Radartechnik bestimmt verflucht. Doch die hier verwendeten Millimeterwellen eignen sich auch zur kontaktlosen und zerstörungsfreien Qualitätskontrolle, zum Beispiel im 3D-Druck sowie in der laufenden industriellen Produktion. Denn die elektromagnetischen Wellen durchleuchten mit einer Frequenz von 30 bis 300 Gigahertz – ab 100 Gigahertz ist auch von Terahertz die Rede – jedes dielektrische Material, also Stoffe, die elektrisch nicht leitend und nicht metallisch sind. Dazu gehören zum Beispiel Kunststoffe. Millimeterwellen machen unabhängig von Hitze, Dampf und Lichtverhältnissen unter anderem Fremdkörper, Fehlstellen sowie unterschiedliche Schichtdicken sichtbar.

Für einfache Kunststoffprodukte wird die Technik bereits seit einigen Jahren eingesetzt, zum Beispiel zur Qualitätskontrolle von Kunststoffrohren während der Produktion. Entwickelt und genutzt wird diese Technik von mehreren Herstellern von Messtechnik, zum Beispiel der Inoex GmbH aus Melle und der Sikora AG aus Bremen. „Das zeigt, dass sich die Technologie industriell tatsächlich behaupten kann“, sagt Daniel Behrendt, Geschäftsfeldsprecher Produktion am Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) aus Wachtberg.

Kunststoffe kontaktlos und zerstörungsfrei durchleuchten

Das FHR forscht und entwickelt in dieser Richtung intensiv weiter und stellt nun einen Tiefenscanner vor, mit dem Kunststoffe jeglicher Form kontaktlos und zerstörungsfrei durchleuchtet werden können – limitiert nur von der momentanen Größe des Messraums des Scanners von 30 cm x 30 cm x 5 cm.

„Ein Förderband führt das zu untersuchende Material in unseren Sammi – die Abkürzung steht für Stand Alone Millimeter Wave Imager“, sagt Daniel Behrendt. Im Gerät werden die Millimeterwellen von einer rotierenden Antenne mit gleichbleibender Frequenz und Amplitude ausgesendet. Durchdringen diese Wellen das Material, werden sie abgeschwächt und verzögert. Da die Phase und Amplitude der ausgesendeten Welle bekannt sind, können aus deren Veränderungen zuverlässige Rückschlüsse gezogen werden, unter anderem auf die Dichte und Homogenität des Materials, aber auch auf Verunreinigungen und Lufteinschlüsse.

Qualitätssicherung mit dem Verfahren auch bei Lebensmitteln möglich

Damit wird auch die Kontrolle von Produkten wie Lebensmitteln in Verpackungen möglich, zum Beispiel auf Füllstände, Feuchtigkeitsgrad und Fremdkörper. Daniel Behrendt: „Wir haben jedem Messpunkt einen Pixel zugeordnet und die Amplituden- sowie Phasenverschiebung farblich codiert dargestellt, sodass ein bildgebendes Prüfsystem entsteht.“ Die Antenne in dem Tiefenscanner dreht sich zehn Mal in der Sekunde, was zehn Hertz, beziehungsweise über 30 000 Messpunkten pro Sekunde entspricht, mit denen sich das Bild live aufbaut. Damit kann der Scanner in eine laufende Produktion integriert werden, beispielsweise in ein Fließband. Das System kann bei Bedarf mit einer Kamera kombiniert werden.

Als kommerzielles Produkt vertreibt die Hübner GmbH & Co. KG aus Kassel den Scanner unter dem Produktnamen T-Sense: zum Durchleuchten und Überprüfen von Briefen und Päckchen auf schädliche Inhalte wie Sprengstoffe, gefährliche Gegenstände und Pulver.

Millimeterwellen: Ideal für Kunststoffuntersuchungen

Für Daniel Behrendt vom FHR ist das erst der Anfang: „Wir sind sehr interessiert an einer Weiter- oder Neuentwicklung für konkrete Fragen auch aus dem Medizinbereich. Wir sehen hier große Potenziale.“ Der Scanner vom FHR arbeitet mit einer Frequenz von 90 Gigahertz – ideal für Kunststoffe. Auch andere Frequenzen sind möglich. Grundsätzlich gilt: Je höher die Frequenz, desto höher die Auflösung, aber auch langsamer das Bildergebnis und niedriger die Eindringtiefe in gewisse Materialien. Ob zum Beispiel die Einbettung eines Sensors in Kunststoff passt – das ließe sich schon heute problemlos überprüfen. Damit könnten zukünftig individuell gefertigte Kunststoffprothesen und -implantate mit Sensorik kontrolliert werden.

www.fhr.fraunhofer.de


Einsatz am Menschen

Neben der Qualitätskontrolle ist zukünftig auch der Einsatz von Millimeterwellen für schonendere Messverfahren am Patienten denkbar.

Kontaktloses Pulsmessen

Die Technik könnte zum Beispiel bei Frühchen die invasive oder durch Verkabelung einschränkenden Messungen von Vitalparametern ersparen. Das FHR arbeitet mit einem Partner daran, mit Millimeterwellen kontaktlos die Atmung und den Puls über die Bewegung der Haut zu überwachen. Noch steckt die Entwicklung in den Anfängen.

Schonender Gewebescan

Millimeterwellen können alternativ oder komplementär zu ionisierender Strahlung eingesetzt werden, um Gewebe zu untersuchen. Limitierend ist bisher die Gewebetiefe. Doch es gibt vielversprechende Untersuchungen für den Einsatz in der Mammografie. Zudem wäre ein Millimeterwellenscanner kostengünstiger als bisherige Computer- oder auch Magnetresonanztomographen (MRT). Das Unternehmen Vayyar aus Israel beschäftigt sich bereits mit der Technik.

https://vayyar.com/medical


Kontakt zum Forschungsinstitut:

Daniel Behrendt
Fraunhofer FHR
Fraunhoferstraße 20
53343 Wachtberg
Telefon: +49 (0)151 120 101 64
www.fhr.fraunhofer.de

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