Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Die bildgebende Ultraschallprüftechnik bietet prinzipiell die Möglichkeit, Fehlstellen in faserverstärkten Kunststoffen mit hoher Auflösung sicher anzuzeigen. Aufgrund des inhomogenen Aufbaus der Bauteile werden besondere Anforderungen an die Ultraschallprüftechnik gestellt: dünne Deckschichten erfordern hohe axiale Auflösung, komplexe Sandwichstrukturen mit Nomex- oder Schaumkernen dagegen hohe akustische Energie. Daher sind Anpassungen der Prüftechnik erforderlich.
Seit einigen Jahren gibt es neben der Ankopplung über Wasser und Koppelpaste auch die Möglichkeit, berührungslose Prüfungen mit Ankopplung über Luft durchzuführen. Untersuchungen an CFK-Bauteilen haben gezeigt, dass einerseits eine Wasser(spalt)an-kopplung, andererseits eine berührungslose Prüfung mit Ankopplung über Luft bessere Auflösung bringt.
Um dem Wunsch nach einem universellen bildgebenden System nachzukommen, wurde das modular aufgebaute Ultraschallprüfsystem HFUS 2400 AirTech entwickelt, das beide Ankopplungsverfahren unterstützt.
Bei konventioneller Ankopplung steht ein Frequenzbereich von <0,1 bis 35 MHz, bei Ankopplung über Luft von 50 kHz bis 1 MHz zur Verfügung. Das HFUS 2400 AirTech enthält optional einen Avalanche-Pulser für höchste Auflösung und einen programmierbaren Rechteck/Burst-Sender zur Erzeugung hoher akustischer Energie. Für unterschiedliche Bauteildicken kann ohne änderung der Verstärkung aus einem Schuss mit bis zu 50 dB Dynamik ausgewertet werden. Die Software bietet leichte Bedienung mit übersichtlichen Menüs und Bildgebung mit A-, B-, C- und D- Bildern wobei der eingebaute Rechner (PIII oder ähnlich) zur Steuerung des Manipulators und der Bildaufnahme und -auswertung benutzt wird. Optional lassen sich auch beim Abrastern komplette A-Bilder speichern. Der eingebaute CD-ROM-Brenner dient zur Datensicherung.
Faserverstärkte Kunststoffe zeichnen sich durch hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit aus. Daher werden sie zunehmend für Hochleistungsbauteile im Luft- und Raumfahrtbereich eingesetzt. Sowohl in der Fertigung als auch im Betrieb treten Fehlstellen auf, die sicher detektiert werden müssen. Die bildgebende Ultraschallprüftechnik hat sich als zuverlässiges, zerstörungsfreies Prüfverfahren für diese Werkstoffe erwiesen.
Wegen der hohen Inhomogenität der Faserverbundbauteile muss die Prüftechnik hierfür spezielle angepasst werden. Dünne CFK-Bauteile erfordern hohe axiale Auflösung und daher Prüffrequenzen bis zu 30 MHz. Sandwich-Bauteile dagegen mit einer dünnen Haut aus CFK oder GFK und einem Kern aus Waben (z. B. Nomex) lassen sich nur mit einigen 100 kHz prüfen. Werden Schaumkerne verwendet, sinkt die maximal mögliche Prüffrequenz sogar unter 100 kHz.
Wegen der relativ niedrigen akustischen Impedanz der Faserverbunde eignet sich Wasser sehr gut als Koppelmittel. Größere Bauteile werden daher mit Wasserstrahltechnik (Squirter) geprüft. Ferner kommt häufig Wasserspaltankopplung zum Einsatz.
In den letzten Jahren wurde über Ultraschallprüfungen mit Ankopplung über Luft berichtet [1]. Wegen der hohen akustischen Impedanzunterschiede zwischen Festkörpern und Gasen (Probekörper, Prüfköpfen und Luft) treten hohe Reflexionsverluste auf, die bei Verwendung normaler Prüfköpfe bei einer Anordnung in Durchschallung über 150 dB erreichen kann [2]. Zusätzlich tritt eine störende Schallschwächung mit zunehmender Prüffrequenz auf. Mit speziell angepaßten Systemen sind Prüfungen in Durchschallung mit Luftankopplung möglich. Hiermit lassen sich jedoch keine Prüfungen mit Koppelmittel durchführen.
Mit Luftankopplung werden relevante Fehlstellen wie Delaminationen und Ablösungen sicher angezeigt. Bei Bauteilen mit extrem hoher Schallschwächung wie Sandwich-Bauteilen, die sich nur mit Frequenzen von einigen 100 kHz prüfen lassen, liefert die luftgekoppelte Ultraschalltechnik sogar bessere Ergebnisse als die Prüfung mit Wasserspalt- oder Squirtertechnik [3].
Im Gegensatz zur konventionellen Technik, wo kurze Impulse den Einsatz der Impuls-Echo-Technik ermöglichen, werden bei der Luftankopplung meist lange Impulse eingesetzt, die bisher keine Impuls-Echo-Technik ermöglichen.
Um faserverstärkte Kunststoffe optimal bildgebend prüfen zu können, wurde das HFUS 2400 AirTech entwickelt (Bild 1). Es erlaubt sowohl Prüfungen mit Ankopplung über Luft als auch Prüfungen mit konventioneller Ankopplung. Dafür sind zwei unterschiedliche Sende-/Em-pfangssysteme zusammen mit einer Datenerfassungseinheit und einem Steuerrechner in einem 19"-Systemgehäuse vereinigt. Die gemeinsame Software-Oberfläche erlaubt ein einfaches Umschalten. Neben hoher Auflösung und Dynamik wurde besonderer Wert auf einen schnellen Dateneinzug gelegt, der hohe Impulsfolgefrequenzen und damit auch hohe Abraster-geschwindigkeiten erlaubt.
Abb 1: Modular aufgebautes Ultraschallprüfsystem HFUS2400AirTech.
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2.1 Ankopplung über Luft
Das HFUS 2400 AirTech wurde für single-shot-Technik ausgelegt, d. h. ohne Signalmittlung werden aus einem Schuss Amplituden- und Laufzeitmesswerte für die Bildgebung ermittelt. Da die Schallschwächung der Luft exponentiell mit der Frequenz ansteigt, werden Prüffrequenzen von ca. 100 kHz bis 800 kHz eingesetzt. Zur Anregung dient ein leistungsfähiger Burst-Sender, der quarzgesteuerte Signale mit 1 bis 15 Impulsen generiert. Die Vorverstärkung erfolgt direkt im Empfangsprüfkopf, damit keine Störungen in die Zuleitung vom Prüfkopf zum Ultraschallsystem eingestreut werden. Außerdem wurde ein auf die Prüfkopfmittenfrequenz abgestimmtes Bandfilter in den Prüfkopf integriert. Dadurch kann das Prüfkopfpaar leicht ausgetauscht werden. Lediglich die Pulsbreiteneinstellung des Burst-Senders muss auf das Prüfkopfpaar eingestellt werden (Software-set-up).
2.2 Ankopplung über Koppelmittel
Für Prüfungen mit Koppelmittel steht ein Frequenzbereich von <0,1 bis 35 MHz zur Verfügung. Es können Prüfungen in Durchschallungstechnik oder in Impuls-Echo-Technik durchgeführt werden. Die Befunde lassen sich nicht nur in C- und D-Bilder wie bei der Luftankopplung, sondern auch mit B-Bildern darstellen.
Ein VMOS-Sender erzeugt kurze Impulse, die eine hohe axiale Auflösung ermöglichen. Optional kann ein Avalanche-Sender bestückt werden, der vor allem bei Prüfungen oberhalb von 10 MHz einen besseren Signal-/Rauschspannungsabstand liefert. Empfangsseitig stehen Hoch- und Tiefpassfilter zur Optimierung des Frequenzspektrums zur Verfügung.
Die Software Hillgus für Windows(tm) wurde aus zehn Jahren Erfahrungen mit bildgebender Ultraschalltechnik entwickelt und läuft auf dem Betriebssystem Windows NT(tm). Sie zeichnet sich durch leichte Bedienbarkeit aus und ist universell einsetzbar (Bild 2). Das Laden und Speichern von Prüfaufgaben, die alle Geräteeinstellungen und Konfigurationen beinhalten sowie die Hilfe kombiniert mit Ultraschall-know-how, erleichtern die Arbeit des Prüfers erheblich.
Abb 2: Hillgus für Windows im Justierbetrieb mit HF-A-Bild einer 2 mm dicken CFK-Platte.
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Die Software ermöglicht bildgebende Prüfungen mit A-, B-, C- und D-Bilder sowie Auswertungen mit Histogramm- und Statistikfunktionen. Auf übersichtlichen "Karteikarten" lassen sich die Parameter für Prüfbereich, Sender, Empfänger, Manipulator und Blenden einstellen und als set-ups speichern. Per Software kann von Luftankopplung auf konventionelle Ankopplung umgeschaltet werden.
Eine große und übersichtliche real-time A-Bildanzeige erlaubt die Justierung der Blenden und erleichtert die Wahl der Prüfparameter.
Optional lassen sich auch beim Abrastern komplette A-Bilder (mit 8 oder 12 bit Auflösung) speichern. Die Dateigröße ist auf maximal 600 MByte begrenzt. Mit dem Auswerteprogramm können aus dem 3D-Datensatz virtuelle Scans durchgeführt werden, die C-Bilder, D-Bilder und B-Bilder erzeugen. Für C- und D-Bilder kann die Fehlerblende gleichzeitig über das Eintrittsecho und das Rückwandecho automatisch justiert werden. Ein Bauteil mit einem keilförmigen Dickenprofil lässt sich damit automatisch prüfen.
Zusammen mit den Ultraschalldaten erfolgt die Speicherung aller Prüfparameter sowie von benutzerdefinierten Kommentaren.
Während für konventionelle Ankopplung Prüfköpfe von unterschiedlichen Herstellern verwendet werden können, müssen für Ankopplung über Luft spezielle Prüfköpfe mit einer Anpaßschicht verwendet werden [4]. Um einem hohen Wirkungsgrad zu erhalten, sind die Prüfköpfe wenig bedämpft. Für Luftkopplung sind folgende Prüfkopfpaare vorgesehen:
| Sendeprüfkopf | Empfangsprüfkopf | Frequenz | Fokus in Luft |
| AirTech 4410 | AirTech 4420 | 450 kHz | ca. 50 mm |
| AirTech 4412 | AirTech 4422 | 250 kHz | ca. 50 mm |
Die Piezo-Composite-Wandler wurden im IZfP in Saarbrücken gebaut und von uns mit einer Sende- und Empfangselektronik versehen (Bild 3). Die Empfangsprüfköpfe enthalten neben einer elektrischen Anpassung einen auf die Mittenfrequenz abgestimmten, selektiven Vorverstärker, der zwischen 50 und 70 dB umschaltbar ist.
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Abb 3: 250 kHz-Prüfkopf mit eingebauter Elektronik (rechts geöffnet) .
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Zur Erhöhung der akustischen Leistung kann in den Sendeprüfkopf eine elektrische Anpassung eingebaut werden.
Das HFUS 2400 AirTech kann mit unterschiedlichen Manipulationssystemen betrieben werden.
Der SUSE-Scanner (Stationäre Ultraschall-Einrichtung, DLR-Entwicklung) beispielsweise hat einen Verfahrweg von ca. 1,0 m mal 1,5 m und eine maximale Verfahrgeschwindigkeit von 2 m/s. Die mechanische Auflösung beträgt 0,250 mm. Mit einer U-förmigen Prüfkopfhalterung und 250-kHz-Prüfköpfen können größere Sandwichstrukturen mit Luftankopplung geprüft werden.
Andere Manipulationssysteme wie der MUSE-Scanner (Mobile Ultraschall-Einrichtung Rasterfläche ca. DIN A4 oder DIN A3, DLR-Entwicklung) eignen sich vorzugsweise für Wasserspalt-Ankopplung und können direkt mit den Saugnäpfen am Bauteil befestigt werden.
Für kleinere Bauteile stehen Manipulator mit Rasterflächen von ca. 300 mm mal 400 mm für Tauchtechnik und für Ankopplung über Luft zur Verfügung.
Die Ankopplung über Luft zeigt sich besonders vorteilhaft bei der Prüfung von Sandwichstruk-turen, wie im Bild 4 dargestellt ist. Waben und Fehlstellen werden mit einer Prüffrequenz von 250 kHz sehr randscharf abgebildet. Außer Faserverbundwerkstoffen lassen sich auch Aluschäume, Grünkeramiken, Holz und Lebensmittel (Käse) vorteilhaft mit Ankopplung über Luft prüfen.
Abb 4: C-Bild eines CFK-Sandwich-Bauteils aufgenommen mit Ankopplung über Luft.
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