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| I N H A L T |
Von besonderer Bedeutung ist bei Faserverbundwerkstoffen, daß der auf den Einsatz des Werkstückes angepaßte innere Aufbau mit den Spezifikationen der Konstruktion sehr genau übereinstimmt. Während Fehlstellen im allgemeinen mit klassischen Prüfverfahren (z.B. der Ultraschalldiagnostik) gut detektiert werden können, besteht Bedarf neue Verfahren zur Erkennung des inneren Aufbaus von Faserverbundmaterialien zu entwickeln. Es ist insbesondere zu überwachen, ob die geplanten Faserrichtungen genau eingehalten werden, da das Elastizitätsmodul des Werkstoffes empfindlich vom Winkel zwischen Zug - und Faserrichtung abhängt [6].
In der Literatur werden einige Ansätze zerstörungsfreier Prüfverfahren zur Bestimmung des Faseraufbaues von Faserverbundbauteilen beschrieben. Dabei sind in erster Linie die Wirbelstromtechnik [2], Einsatz von Mikrowellen [3] und das in diesem Beitrag näher behandelte Ultraschallrückstreuverfahren zu nennen. Letzteres ist besonders interessant, weil es bis zu einigen Millimetern Probendicke eingesetzt werden kann und keine speziellen Voraussetzungen an den Aufbau oder die Beschaffenheit des Prüfobjektes stellt. So muß z.B. nicht - wie beim Wirbelstromverfahren - gefordert werden, daß der Prüfling elektrisch leitend ist. Ein weiterer Vorteil besteht in der Art der Prüfung, welche lediglich eine Zugänglichkeit des Prüflings von einer Seite her erfordert.
In vorangegangenen Untersuchungen wurde bereits die prinzipielle Eignung des Ultraschallrückstreuverfahrens nachgewiesen [4, 5]. In diesem Beitrag sollen nun die Ergebnisse einer Arbeit vorgestellt werden, in der die Einflußfaktoren dieses Verfahrens systematisch mit Hilfe theoretischer Streumodelle sowie begleitender Messungen untersucht wurden. Das Potential des Meßverfahrens hat sich bei der Untersuchung zahlreicher realer Faserverbundwerkstoffe bestätigt und die erhaltenen Winkelauflösungen stimmen gut mit den theoretischen Voraussagen überein. Darüber hinaus zeigte das Ultraschallrückstreuverfahren gute Ergebnisse bei der Detektion einiger - mit herkömmlichen Ultraschallverfahren - schwer zugänglicher Materialfehler.
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Dem Rückstreuverfahren liegt die sogenannte Impuls-Echo-Technik zugrunde. Im Gegensatz zur Impuls-Echo-Technik wird dabei jedoch nicht der geometrisch reflektierte, sondern der vom Prüfobjekt zum Prüfkopf zurückgestreute Schall ausgewertet. Um die direkte Reflexion zu unterdrücken, wird der Schallstrahl dazu schräg zur Oberfläche des Faserverbundwerkstoffes eingestrahlt.
Die Bestimmung der vorkommenden Faserorientierungen erfolgt über die Intensitätswerte des Rückstreupulses, welche als Funktion des Drehwinkels der Probe um die z-Achse bei einem raumfest angeordneten Prüfkopf (vgl. Abbildung 1) aufgetragen werden.
Immer dann, wenn bei dieser Drehung eine Lagenrichtung senkrecht zum Prüfkopf orientiert ist, wird ein charakteristisches Intensitätsmaximum des Rückstreusignales beobachtet. Aus dem auf diese Weise aufgenommenen Intensitätsprofil kann also auf den Lagenaufbau des Verbundwerkstoffes zurückgeschlossen werden. |  Abb 2: Prinzipaufbau zur Ultraschallrückstreuung |
| Die Untersuchung des Einflusses einzelner Parameter auf die Meßunsicherheit bei der Bestimmung der Faserorientierungen gestaltet sich schwierig, da einige der Einflußgrößen experimentell nicht ohne Weiteres einzeln variiert werden können. So ist z.B. das Schallfeld durch den eingesetzten Ultraschallwandler festgelegt und durch einen Austausch des Prüfkopfes werden stets mehrere Parameter des Schallfeldes gleichzeitig verändert (z.B. Mittenfrequenz, Schallbündeldurchmesser, ...). Diese Problematik erklärt, warum ein rein experimenteller Zugang zur Bestimmung der Einflußgrößen nicht sinnvoll erschien. |  Abb 2: Kugelmodell zur Schallstreuung an einer Faser |
Zunächst wurde ausgenutzt, daß zur Untersuchung der Winkelauflösung des Ultraschallrückstreuverfahrens nicht die absoluten Intensitätswerte des Rückstreusignales, sondern lediglich deren relativer Verlauf bezogen auf das Intensitätsmaximum (bei senkrechter Stellung von Prüfkopf und Fasern) von Interesse ist. Wie eingehende Voruntersuchungen gezeigt haben, ist es dann in vielen Fällen möglich, das Streuverhalten des Verbundkunststoffes durch das einer einzelnen streuenden Faser annähernd zu beschreiben. Die entscheidende Vereinfachung des Problems besteht dabei darin, daß bei einer einzelnen Faser eine Koordinatentransformation auf ein Koordinatensystem durchgeführt werden kann, in dem das Streuproblem zweidimensional zu beschreiben ist.
Die erste Achse dieses Koordinatensystems wird durch den Schallstrahl selbst festgelegt, die zweite Achse steht auf dieser senkrecht und liegt in der Ebene, die vom Schallstrahl und der Faser aufgespannt wird, die dritte Achse schließlich steht senkrecht auf den beiden anderen Achsen. Da die dritte Achse also sowohl auf der Faser als auch auf dem Schallstrahl senkrecht steht, hängt die Schallintensität, die zum Prüfkopf zurückgestreut wird, nicht von dieser Richtung ab. Die einzige Variable nach der Koordinatentransformation ist - bei einem festen Einschallwinkel 
) - der Winkel zwischen Schallstrahl und Faser, welcher im folgenden als Neigungswinkel 
bezeichnet wird.
Obwohl in diesem Modell - unter Berücksichtigung der Streueigenschaften - bereits eine starke Vereinfachung vorgenommen wurde, kann dennoch keine analytische Lösung des Problems gefunden werden. Die Ursache liegt in dem bislang nicht näher betrachteten einfallenden Schallfeld. Die Theorie der Streuung verwendet zumeist ebene einfallende Wellen, die die Eigenschaft haben, daß sie monofrequent sind und an jedem Raumpunkt die gleiche Amplitude aufweisen. Solche Schallfelder können aber nur dann angenähert für Streuprobleme verwendet werden, wenn der Streukörper klein ist im Vergleich zur Schallwellenlänge. Da dies im betrachteten Fall zumindest in Faserrichtung nicht richtig ist, muß statt dessen die Form des wirklichen Schallfeldes in die Modellrechnungen einbezogen werden.
In der Praxis werden zur Materialprüfung häufig fokussierte Prüfköpfe eingesetzt. Diese erzeugen ein räumlich stark inhomogenes Schallfeld, welches in dem sogenannten Fokuspunkt auf einen sehr kleinen Bereich eingeschnürt ist. Senkrecht zur Ausbreitungsrichtung fällt die Schallintensität in diesem Punkt sehr rasch auf nicht mehr meßbar kleine Werte ab. Damit unterscheiden sich also reale Schallfelder deutlich von dem Modell einer ebenen Welle.
Zur Lösung des Streuproblems wurde daher eine mathematische Zerlegung der Faser in kleine Elemente durchgeführt, über deren Ausdehnung die einfallende Schallamplitude als näherungsweise konstant angesehen werden kann. Die akustische Antwort der Faser errechnete sich dabei aus der phasenrichtigen Summe der einzelnen von den Elementen hervorgerufenen Streuwellen. Um zu berücksichtigen, daß ein Element im Fokuspunkt abseits der akustischen Achse eine sehr viel geringere Anregung erfährt, als ein Element auf der akustischen Achse, wurden die einzelnen Streubeiträge mit dem Intensitätsprofil des einfallenden Schallimpulses gewichtet. Zur Berechnung der einzelnen Beiträge wurden die Elemente durch Kugeln mit den Materialeigenschaften der Faser (Schallgeschwindigkeit und Dichte) angenähert, da deren Streufeld über eine Partialwellenzerlegung berechnet werden kann (vgl. Abbildung 2).
Eine weitere Möglichkeit zur Berechnung der Einzelbeiträge besteht in der Näherung über einen unendlich dünnen Streukörper. Beide Verfahren zeigen nahezu identische relative Intensitätsverläufe der errechneten Rückstreusignale, woraus geschlossen werden kann, daß die genauen Materialeigenschaften zwar die absoluten Intensitätswerte des Rückstreusignals maßgeblich bestimmen, aber für deren relativen Verlauf insbesondere in der Nähe eines Maximums nur eine sehr untergeordnete Bedeutung besitzen.
Abb 3: Vergleich von theoretischen und experimentellen Ergebnissen ( = 0° normiert) 10K
Wie dieses Beispiel zeigt, werden die theoretischen Voraussagen durch die Meßergebnisse sehr gut bestätigt.
Die Messungen wurden an einer Ultraschallanlage durchgeführt, welche über eine 5-Achs-Steuerung verfügt und somit Verfahrmöglichkeiten des Ultraschallprüfkopfes in x,y,z-Richtung sowie Schwenkmöglichkeiten um zwei rotatorische Achsen bietet. Aus den mit geneigtem Prüfkopf aufgenommenen C-Bildern konnten für jede Winkelstellung die zugehörigen Schalldruckwerte (als physikalisch beobachtbare Größe) berechnet und anschließend gemittelt werden. Der zum mittleren Schalldruck gehörende Intensitätswert - im folgenden mit "mittlerer Intensität" bezeichnet - konnte bei einer Normierung auf den Wert bei = 0° direkt mit dem zugehörigen berechneten relativen Intensitätswert verglichen werden.
Eine simultane Erfassung aller vorkommenden Faserorientierungen in dem Bauteil wurde mit breiten Zeitfenstern realisiert. Demgegenüber konnte durch Verwendung schmaler zeitlicher Blenden auch eine zeit- und damit tiefenaufgelöste Analyse des inneren Aufbaus erfolgen (Abb. 7).
Aus den Modellrechnungen ergaben sich folgende signifikante unabhängige Einflußparameter, die den relativen Intensitätsverlauf in der Nähe eines Maximums maßgeblich bestimmen:
Eine getrennte Variation der beiden Einflußgrößen ist - wie bereits ausgeführt - im allgemeinen experimentell nicht ohne Weiteres möglich, da die Prüfköpfe mit festen Spezifikationen vom Hersteller geliefert werden. Da das Streumodell durch Messungen sehr gut verifiziert werden konnte (Abbildung 3) wurden die Untersuchungen zunächst anhand von Simulationsrechnungen durchgeführt, wobei einmal der Fokusradius, einmal die Schallfrequenz variiert wurden (Abbildungen 4 + 5) bei jeweils festgehaltener anderer Größe.
Abb 4: Variation der Prüffrequenz (Fokusradius = 0.3 mm, entspricht ungefähr dem des
5 MHz-Prüfkopfes (7K)
Abb 5: Variation des Schallbündeldurchmessers (Mittenfrequenz = 2.25 MHz) (6K)
Die Abbildungen verdeutlichen, daß eine Verbesserung der Winkelauflösung entweder durch eine höhere Mittenfrequenz oder durch eine breitere Schallfeldverteilung am Ort der Probe erreicht werden kann.
Abb 6: Messung der Faserrichtungen in einem Prepreg (23K)
Wie die Abbildung zeigt, können die Faserorientierungen (0°/90°) in diesem Fall durch die Lage der Intensitätsmaxima mit einer Genauigkeit von ca. 1° angegeben werden. Bei Untersuchungen in größeren Probentiefen tritt jedoch eine extreme Schallschwächung des hochfrequenten Ultraschalles auf, so daß auf Kosten der Winkelauflösung zu kleineren Prüffrequenzen ausgewichen werden muß. Dies kann ebenfalls bei stark schallabsorbierenden Materialien erforderlich sein. Das Verfahren wurde ebenfalls mit anderen Prepregproben sowie einem Kohlenstoffasergewebe und einer Thermoplastprobe getestet. Die Ergebnisse der entsprechenden Untersuchungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
| Tabelle 1: Ergebnisse der Faserorientierungsbestimmmung mit Ultraschallrückstreuung | |||
| Probe | Material | Faserorientierungen | Experimentelle Ergebnisse |
| 1 (s. o.) | CFK-Prepreg | 0°; 90° (-1 ± 1)° | (89 ± 1)° |
| 2 | CFK-Prepreg | 0°; ± 45° (-1 ± 1)° | (46 ± 1)° ; (134 ± 1)° |
| 3 | CFK-texture | 0°; 90° (-1 ± 3)° | (91 ± 3)° |
| 4 | CFK- Thermoplast | unbekannt | (0 ± 1)° ;(90 ± 2)° |
Neben der gleichzeitigen Erfassung aller Faserorientierungen unter Verlust der Tiefeninformation ist durch eine geeignete Wahl enger Zeitblenden auch eine Tiefenauflösung der Faserlagen mit diesem Verfahren untersucht worden (Abbildung 7).
Abb 7: Tiefenaufgelöste Bestimmung von Faserorintierungen (11K)
Bei dem gezeigten Prepreg wurden drei unterschiedliche Faserorientierugen mit zwei Zeitblenden tiefenaufgelöst ermittelt, wobei von der ersten Zeitblende im wesentlichen eine oberflächennahe 0° Orientierung und von der zweiten Zeitblende eine tiefer liegende 45° und teilweise die noch tiefer angeordnete 135° Faserorientierung erfaßt wurden. Da die Probe eine Dicke von mehr als 4 mm aufwies, wurde in diesem Fall ein fokussierter 7,5 MHz - Prüfkopf verwendet.
Neben der Bestimmung von Faserorientierungen ist das Verfahren der Schrägeinstrahlung von Ultraschall auch zur Detektion anderer in faserverstärkten Kunststoffen auftretender Fehler geeignet. Dabei konnten insbesondere bei der Detektion kleiner Fehlstellen deutliche Verbesserungen gegenüber der herkömmlichen Impuls-Echo-Technik erzielt werden.
Abb 8: Detektion von Lufteinschlüssen mit dem Ultraschallrückstreuverfahren (49k)
Das erste Beispiel zeigt die Prüfergebnisse eines künstlich präparierten Faserrisses, mit Impuls-Echo-Techik und dem Ultraschallrückstreuverfahren. Dieser Fehler ist mit der Impuls-Echo-Technik kaum zu detektieren, wohingegen mit dem Ultraschallrückstreuverfahren der Faserriß deutlich zu erkennen ist (Abbildung 8).
Um das Faserecho zu minimieren wurde eine Winkelstellung verwendet, bei dem das Rückstreuecho minimal wird (Minimum der Intensitätskurve). Auf die gleiche Weise können auch kleine Lufteinschlüsse detektiert werden (Abbildung 9), die sich einer herkömmlichen Untersuchung entziehen.
Abb 9: Detektion eines Faserrisses mit dem Ultraschallrückstreuverfahren (41k)
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