Virtuose Violinistinnen benötigen nicht nur geschickte Finger und jahrelange Übung, sie benötigen auch ein präzises Gehör, um die Töne ihres Instruments laufend zu beurteilen. Erfahrene Handwerker bemerken sofort, wenn ihr Werkzeug abstumpft und etwas nicht mehr "stimmt". Und wenn der Motor "stottert", wissen die meisten Fahrer, dass sie der Werkstatt einen Besuch abstatten sollten. Dasselbe Prinzip erlaubt auch die Verbesserung und Überwachung von industriellen Prozessen, vorausgesetzt man findet die richtigen Sensoren. XARIONs Optisches Mikrofon basiert auf einem völlig neuen Detektionsprinzip, welches das Zuhören im Ultraschall-Bereich erlaubt und damit Anwendungen in modernsten Fertigungsverfahren wie Laserschweißen, Ultraschallschweißen oder additiver Fertigung ermöglicht.

Berührungslose Detektion von Ultraschall eröffnet neue Wege in der Prozessüberwachung

Die moderne Industrie ist von steigenden Qualitätsansprüchen bei gleichzeitig hohem Zeit- und Kostendruck geprägt. Durch vollautomatisierte Produktionslinien werden Durchsatz und Qualität bei geringem Personaleinsatz ermöglicht, Abweichungen vom regulären Betrieb müssen nun jedoch ebenfalls automatisiert erkannt werden. Das Feld der Prozessüberwachung beschränkt sich traditionell auf die Erfassung von Werten wie Temperatur, Druck oder Position von Werkstücken und Maschinen.

"Wir kennen die akustische Überwachung von Herstellungsprozessen wie Bohren, Drehen, Schweißen und Fügen schon seit mehreren Jahren", erläutert Dipl.-Ing. Martin Fürst von der XARION Laser Acoustics GmbH. "Diese Prozesse machen einen Haufen Lärm, aber es entstehen eben auch sehr charakteristische Geräusche bzw. Klangsignaturen, die man messen und mit Referenzen vergleichen kann. Das hilft dabei, Fehler früh zu erkennen und die Fertigungsprozesse zu verbessern."

Konventionelle Schallmesssysteme verlassen sich auf Membran- oder Piezo-basierte Mikrofone und Detektoren. Diese Systeme können jedoch nur einen sehr begrenzten Frequenzbereich aufzeichnen, was ihre Anwendbarkeit stark einschränkt. Das Optische Mikrofon der Firma XARION Laser Acoustics GmbH nutzt deshalb ein völlig neuartiges Funktionsprinzip: In einem einzigartigen, rein optischen Verfahren verändert der Schall die Wellenlänge eines Laserstrahls, der zwischen zwei kleinen Spiegeln hin und her reflektiert wird (Abb. 1). Damit ändert sich auch die Helligkeit des ausgekoppelten Lichtes, was ohne den Umweg über eine mechanische Schwingung gemessen wird. So erreicht das Optische Mikrofon ein detektierbares Frequenzintervall, das mindestens zwanzig Mal größer ist als das jedes anderen konventionellen Ultraschallsensors. Darüber hinaus ist der Sensorkopf des Optischen Mikrofons überaus kompakt und leicht, was die Installation in bestehende Anlagen erleichtert (Abb. 2).

Das Optische Mikrofon im industriellen Einsatz

Wie sieht die Prozessüberwachung mittels Ultraschall-Mikrofon nun in der Praxis aus? "Der typische Maschinenlärm beschränkt sich in der Regel auf den hörbaren und niederen Ultraschall-Frequenzbereich", erklärt DI (FH) Ryan Sommerhuber, Spezialist für die Prozessüberwachung bei XARION Laser Acoustics GmbH. "Prozessgeräusche hingegen erzeugen akustische Signale im deutlich höherfrequenten Bereich mehrerer hundert Kilohertz. Das Optische Mikrofon kann einen Frequenzbereich von wenigen Hertz bis zu zwei Megahertz gleichzeitig erfassen und durch geschickte Datenverarbeitung Prozesssignale isoliert überwachen. Während zum Beispiel ein Frequenzbereich Informationen zum Schweiß-Keyhole-Zustand liefert, dient ein anderer zur Detektion von Kaltrissen, welche durch Kombination mehrerer Sensoren sogar lokalisiert werden können."

Die Prozessgeräusche unterschiedlicher Maschinen überlagern sich dabei gegenseitig nicht: "Die für uns relevanten Prozesssignale mit Frequenzen mehrerer hundert Kilohertz werden innerhalb von zehn bis dreißig Zentimeter von der Luft so stark gedämpft, dass unsere Prozessüberwachung gegenüber weiter entfernten Störquellen robust ist", so Sommerhuber.

Die konkrete Umsetzung einer solchen Prozessüberwachung besteht stets aus 3 wesentlichen Komponenten (Abb. 3). Zunächst wird selbstverständlich das Optische Mikrofon benötigt, sowie eine geeignete Datenerfassung. Die finale Zutat besteht dann in der Datenauswertung und Aufbereitung, hier konnten die XARION-Experten sowohl mit deterministischen Algorithmen als auch mit KI-basierten Verfahren Erfolge erzielen und Lösungen bereitstellen. Je nach Anwendung und Kundenanforderung kann XARION entweder auf erprobt