Phased Array Ultraschall: Wo liegt der Unterschied zum „klassischen“ UT?

In der Welt der Werkstoffprüfung ist Ultraschall eine feste Größe. Gemeinsam mit der Röntgenprüfung gehört er zu den wichtigsten Verfahren, um Informationen über das Innenleben von Bauteilen und Materialien zu erhalten – und das ohne diese während der Prüfung zu beschädigen. Ob Lunker in Gussteilen, Dopplungen in Blechen, Korrosionsabträge, Bindefehler in Schweißnähten oder Risse in Schmiedeteilen: Die Ultraschallprüfung ist ein echter Allrounder der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP).

Natürlich macht auch der technische Fortschritt vor diesem Bereich nicht halt. Vor einigen Jahren hielten Phased-Array-Prüfgeräte Einzug in die Werkstoffprüfung – eine Technologie, die zuvor bereits in der Medizintechnik eingesetzt wurde. Doch worin besteht eigentlich der Unterschied zwischen konventionellem Ultraschall und Phased-Array-Ultraschall?

Konventioneller Ultraschall (UT)

Beim klassischen Ultraschall wird in der Regel mit einem einzelnen sogenannten Schwinger gearbeitet. Ein Block aus piezoelektrischer Keramik wird elektrisch angeregt und beginnt zu schwingen. Dadurch entstehen Ultraschallwellen, die in das zu prüfende Bauteil eingekoppelt werden. Die Schallwellen durchlaufen das Material und treffen dort auf Rückwände, Fehlstellen, Grenzflächen oder auf Bereiche ohne Reflexion. Aus der Art des reflektierten Signals – oder dessen Ausbleiben – kann das Prüfpersonal Rückschlüsse auf den Zustand des Materials ziehen.

Das Ergebnis wird meist als A-Bild dargestellt: eine grafische Darstellung der Signalamplitude in Abhängigkeit vom Schallweg. Vereinfacht gesagt zeigt diese Anzeige wie lange ein Echo unterwegs war und wie stark das empfangene Signal ist. Erfahrene Prüfer können aus dieser Darstellung Fehlstellen identifizieren, Wanddicken bestimmen oder Risse lokalisieren. Mit Hilfe von Wegaufnehmern (Encodern) lassen sich auch beim klassischen UT bereits Übersichtsaufnahmen größerer Prüfbereiche erzeugen.

Einschränkungen des klassischen UT

Beim konventionellen Ultraschall wird jedoch meist mit einem einzelnen Prüfkopf gearbeitet. Dieser besitzt eine feste Geometrie, eine definierte Größe sowie einen festen Einschallwinkel. Soll eine Prüfung beispielsweise mit einem anderen Winkel oder einer anderen Prüfkopfgröße durchgeführt werden, muss der Prüfkopf gewechselt oder die Prüfung erneut durchgeführt werden.

Phased-Array-Ultraschall (PAUT)

Genau an dieser Stelle setzt der Phased-Array-Ultraschall an. Im Prüfkopf befindet sich hier nicht ein einzelner Schwinger, sondern ein Array aus vielen kleinen Einzelschwingern – beispielsweise 16, 32 oder 64 Elemente. Diese Elemente sind elektrisch und akustisch voneinander getrennt und können: einzeln in Gruppen gleichzeitig oder zeitlich versetzt (phasenverschoben) angesteuert werden.

Durch diese gezielte Ansteuerung entstehen verschiedene Prüfstrategien:

• Linien-Scan: Beim sogenannten Linien-Scan wird der aktive Bereich des Prüfkopfes schrittweise verschoben; Elemente 1–8 werden angesteuert, anschließend 2–9, dann 3–10 usw. Dadurch entsteht der Effekt eines virtuell wandernden Prüfkopfes.
• Sektor-Scan: Bei einem Sektor-Scan werden die Elemente zeitlich versetzt angeregt. Dadurch entstehen unterschiedliche Einschallwinkel, die fächerförmig durch das Bauteil „schwenken“. So lässt sich ein Prüfbereich in einem einzigen Durchlauf mit verschiedenen Winkeln untersuchen.

Vorteile des Phased-Array-Verfahrens

Ein einzelner Phased-Array-Prüfkopf kann damit die Funktionen mehrerer klassischer Prüfköpfe mit unterschiedlichen Winkeln und Größen übernehmen. In Verbindung mit einem Encoder lassen sich während eines einzigen Prüfdurchlaufs nahezu alle relevanten Informationen über ein Bauteil erfassen und anschauliche Prüfabbildungen erzeugen.

Ein weiterer Vorteil: Alle Prüfdaten werden vollständig gespeichert. Jeder Punkt in einer grafischen Darstellung – etwa in einem Sektor-Scan – entspricht einem eigenen A-Bild, das im Nachgang erneut betrachtet und detailliert ausgewertet werden kann. Dadurch sind umfassende Analysen auch nach Abschluss der Prüfung möglich.

Grenzen und Herausforderungen des PAUT-Verfahrens

Wie so oft haben technische Vorteile auch ihre Kehrseite. Phased-Array-Systeme sind deutlich teurer als konventionelle Ultraschallgeräte, aufwendiger einzurichten und erfordern umfangreiche Schulung sowie Erfahrung in der Anwendung. Die Bedienung setzt daher fundiertes Fachwissen in der Ultraschallprüfung voraus.

Fazit Phased-Array vs. „klassischer“ Ultraschall

Der klassische Ultraschall (UT) und der Phased-Array-Ultraschall (PAUT) werden auch künftig nebeneinander bestehen. Während der konventionelle UT weiterhin eine robuste, bewährte und wirtschaftliche Lösung für viele Prüfaufgaben darstellt, bietet Phased Array in bestimmten Anwendungen klare Vorteile.

Insbesondere bei komplexen Geometrien, anspruchsvollen Schweißnahtprüfungen oder umfangreichen Dokumentationsanforderungen ermöglicht PAUT bereits heute, mehr Informationen in kürzerer Zeit zu erfassen – und damit in vielen Fällen buchstäblich mehr zu sehen.