Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Mit einem kommerziell erhältlichen Meßgerät (verbesserte fokussierte Prüfköpfe sowie Elektronik) haben wir Ultraschalluntersuchungen über Luftankopplung in Transmission durchgeführt. In unserem Beitrag stellen wir Meßergebnisse an nichtmetallischen Werkstoffen wie Holz, Faserkeramiken, "adaptiven" Strukturen, Wabenstrukturen, GFK- und CFK-Werkstoffen sowie an Bauteilen vor. Dabei werden typische Schädigungen wie Impacts und Delaminationen, Ablösungen sowie Schadensfortschritte untersucht.
Herkömmliche Ultraschalluntersuchungen benötigen aufgrund des großen Impedanzunterschiedes zwischen Festkörper und Luft ein Koppelmittel wie Wasser oder Gel [1]. Dadurch handelt es sich nicht um ein echtes kontaktfreies Verfahren, und wasserempfindliche Werkstoffe oder Bauteile sind schwer untersuchbar. Bei Luftultraschall entfällt die Einschränkung eines flüssigen Koppelmediums, so daß Werkstoffuntersuchungen einfacher durchführbar werden.
Bei dem eingesetzten Ultraschallgerät (Abb. 1) handelt es sich um PC-Karten und um spezielle fokussierte Kompositprüfköpfe (450 kHz) mit akustischer Anpassung [2], die im Burstbetrieb arbeiten. Ein Vorverstärker und ein Bandpassfilter ermöglichen eine rauscharme Verstärkung der Signale einer Transmissionsmessung (Durchschallung) [3, 4]. Die Proben werden mit Hilfe eines x-, y-, z- Scantisches abgerastert.
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Abb 1: Schematische Darstellung und Bild der Luftultraschallanlage .
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Die Signalauswertung erfolgt in der Form eines Ultraschall B- oder C-Bildes.. Das B-Bild ist eine farbkodierte Darstellung der empfangenen Amplituden in Abhängigkeit der Zeit und des Ortes (x). Das C-Bild hingegen ist eine farbkodierte Darstellung der empfangenen Amplituden in Abhängigkeit vom Ort (x und y) innerhalb eines Zeitintervalls.
Im folgenden Abschnitt werden Untersuchungsergebnisse an nichtmetallischen Werkstoffen wie Holz, Faserkeramiken, "adaptiven" Strukturen, Wabenstrukturen, GFK- und CFK-Werkstoffen sowie an Bauteilen vorgestellt.
Mit der konventionellen Ultraschalltechnik ist es schwer Untersuchungen an Holz durchzuführen, da das Koppelmedium Wasser in das Holz eindringt und dessen Eigenschaften verändert. Mit luftgekoppeltem Ultraschall sind Messungen rückwirkungsfrei durchführbar. Abb. 2 zeigt ein Luftultraschall C-Bild einer Furnierholzprobe mit Bereichen, in denen der Holzleim unter der Furnierlage fehlt (blaue Bereiche). Darüber hinaus ist ein weiterer Defekt in der rechten oberen Ecke zu erkennen [5, 6].
Abb 2: Skizze und Luftultraschall C-Bild einer Furnierholzprobe.
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Die Sicherheit von Faserverbundwerkstoffen hängt primär von der Faser-Matrix-Wechselwirkung ab. Eine Möglichkeit, den Schadensfortschritt zerstörungsfrei zu untersuchen, bieten Ultraschallmessungen über Luftankopplung. Die Analyse eines Ultraschall B-Bildes kann dabei Aufschluß über den Entstehungsort der Schädigung und deren Entwicklung geben. Mit Hilfe dieser Meßmethode wurde der Schädigungsverlauf an Zugproben verfolgt, die aus einer spritzgegossenen Polypropylen-Platte mit 30 Gew.-% Glasfasergehalt hergestellt wurden. Die Zugversuche erfolgten quer zur Vorzugsrichtung der Fasern. Ab 4 % Dehnung ist im Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Übergang zum plastischen Bereich beobachtbar und der Schädigungsverlauf sowohl im Ultraschall B-Bild als auch im FFT-Bild nach einer Fourieranalyse der Signale verfolgbar [7].
Abb 3: Luftultraschall B-Bilder (oben) und FFT-Bilder (unten): Verfolgung des Schädigungsverlaufs einer kurzglasfaserverstärkten PP-Probe (links).
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CFK-Werkstoffe finden in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbau immer mehr Verwendung. Deswegen ist es wichtig, Schäden rechtzeitig und eindeutig zu erfassen. Luftultraschall bietet sich hier als neues Verfahren an.
Ein Impact ist eine Schadensart, die durch Einschlag in das Material (z.B. Steinschlag, fallendes Werkzeug...) entstehen kann. Die Seite, auf der der Impact stattgefunden hat, zeigt praktisch keine Schädigung, während auf der Rückseite die Fasern brechen können. Ein Impact wurde mit Luftultraschall untersucht. Auf dem erhaltenen C-Bild (Abb. 4a) sind der Übergangsbereich ungeschädigtes Material / Schädigung sowie der Ort des Impacts zu erkennen. Ein Kritikpunkt der Ankopplung über Luft war aufgrund des großen Impedanzunterschiedes zwischen Festkörper und Luft das vermeintlich zu geringe Signal-Rauschverhältnis der empfangenen Signale. Die Signaländerung von ca. 22 dB, die durch den Impact verursacht wird, liegt jedoch deutlich über dem Signal-Rausch-Verhältnis (Rauschbreite weniger als 1 dB, Abb. 4b) [6].
a) C-Bild
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b) Signalverlauf
Abb 4: a) Luftultraschall C-Bild eines Impactschadens in einer CFK-Platte; b) Änderung des Ultraschallsignals entlang des Impacts.
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In CFK-Werkstoffen können neben Impactschäden auch Lagenablösungen (Delaminationen) vorkommen, die ebenfalls mit luftgekoppeltem Ultraschall zu erkennen sind. In Abb. 5 ist das Ultraschall C-Bild einer ca. 6 mm dicken CFK-Platte dargestellt, in die seitlich künstlich vier Delaminationen mit unterschiedlicher Ausprägung eingebracht wurden [7].
Abb 5: Luftultraschall C-Bild von vier künstlich eingebrachten Delaminationen (dunkle Randbereiche).
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Nach einer Reparatur von Schäden in CFK-Bauteilen ist es wichtig, die Qualität des Ergebnisses zu überprüfen. Auf dem Ultraschall C-Bild eine Stringerstruktur aus dem Luftfahrtbereich (Abb. 6) sind alle 3 Reparatur-Patches, ein Klebertopfen sowie eine Delamination im Material zu erkennen [5, 6].
a) Vorderseite (Foto)
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b) Luftultraschall C-Bild
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c) Rückseite (Foto)
Abb 6: a) und c) Foto einer reparierten Luftfahrtstruktur; b) Luftultraschall C-Bild dieser Struktur .
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Wabenstrukturen werden häufig im Leichtbau eingesetzt, wenn Biegesteifigkeit über ein hohes Flächenträgheitsmoment bei geringem Gewicht erzielt werden soll. In einer 13 mm dicken Werkstoffprobe befindet sich eine künstlich eingebrachte Ablösung zwischen dem Wabenkörper (Wabe 3.2-64 T=12 mm) und der Deckschicht aus CFK. Weiterhin sind mehrere Waben mit Klebstoff gefüllt. Auf dem Ultraschall C-Bild sind sowohl die Ablösung (dunkles Rechteck) als auch die gefüllten Waben (gelber Bereich) zu erkennen. Weiterhin ist ein Überlappungsbereich der CFK-Deckhaut (weiße Pfeile) detektierbar.
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Abb 7: Skizze und Luftultraschall C-Bild einer Wabenstruktur.
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Neben CFK-Werkstoffen und Wabenstrukturen sollen in Zukunft auch "adaptive Strukturen" im Flugzeugbau eingesetzt werden [8, 9]. Bei diesen Strukturen werden Piezoaktoren in CFK- oder GFK-Werkstoffe eingebettet. Durch Anlegen einer Spannung verformen sich die Aktoren, wodurch sich die Geometrie des Bauteils verändert. Aufgrund der Verbindungsdrähte und einer eventuell eingebetteten Elektronik sind Ultraschallmessungen im Wasserbad nur schwer durchführbar. Hier bieten sich Untersuchungen über Luftankopplung an.
An der Struktur in Abb. 8a (mit vier eingebetteten Aktoren) wurden Ultraschall C-Bilder aufgenommen. Die Ergebnisse sind in den Abb. 8b und 8c wiedergegeben. PTFE-Folien wurden einmal in die Matrix und zum andern oberhalb eines Aktors eingelassen, um Delaminationen zu simulieren. Eine künstliche Delamination ist rechts oben auf dem Aktor und die zweite rechts unten zu erkennen. Die beiden Luftultraschall C-Bilder zeigen die künstlichen Ablösungen vor mechanischer Belastung (noch zusammenhaftende Grenzflächen) und danach, wodurch die Delaminationen geöffnet wurden. Diese Bilder zeigen, daß es möglich ist, belastungsabhängige Veränderungen zu erkennen. Eine genauere Betrachtung eines Aktors läßt dessen Struktur, den Rahmen, in dem er eingebettet ist, sowie Harzansammlungen sichtbar werden. Die dunklen Bereiche in der Mitte der Ultraschall C-Bilder wurden durch Klebstreifen verursacht, mit denen die Drähte fixiert wurden [5, 6].
Abb 8: a) Foto einer "adaptiven Struktur", b) Luftultraschall C-Bild (C-Scan) vor mechanischer Belastung, c) Luftultraschall C-Bild nach mechanischer Belastung.
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Faserverstärkte Keramiken wie C/C-SiC können für hochtemperaturbeständige Bauteile wie Bremsscheiben in Zügen oder Formel-1 Rennwagen [10] sowie als Hitzeschutzschild für Raumfahrzeuge eingesetzt werden. Aufgrund der Sicherheitsanforderungen unter extremen Bedingungen sind zuverlässige Methoden zur Defekterkennung erforderlich, die die Qualität der intakten Bauteile nicht z.B. durch Wasserdiffusion beeinflussen.
Abb 9: Luftultraschall C-Bild und Skizze eines 3-lagigen C/C-SiC Keramikbauteils.
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Mit luftgekoppeltem Ultraschall sind beispielsweise Kontaktfehlstellen zwischen zusammengefügten C/C-SiC Keramikplatten zu detektieren. Die künstlich eingebrachte Ablösung zwischen zwei Lagen ist in der Mitte des C-Bildes (Abb.9; rotes Rechteck) zu erkennen. Die Dickenänderungen werden durch die hellen und dunklen horizontalen Bereiche wiedergegeben.
Am Beispiel einer Airbagabdeckung soll gezeigt werden, daß man mit Luftutraschall verdeckte Strukturen (weiße Ellipsen) in Bauteilen sichtbar machen kann (Abb. 10).
Abb 10: Strukturuntersuchung an einer Airbagabdeckung.
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Durch den Einsatz dieses neuen ZfP-Verfahrens, dessen Möglichkeiten über denen der klassischen Ultraschallprüfung (Tauch- oder Kontakttechnik) liegen, kann man unterschiedliche Werkstoffe und Bauteile einfach, schnell sowie zuverlässig untersuchen. Darüber hinaus ist es möglich, wasserempfindliche Werkstoffe wie Holz sowie Faserkeramiken zu prüfen.
Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die finanzielle Förderung im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 381 (SFB 381), Herrn Berglind (Tratek, Swedish Institute for Wood Technology Research) für die Probe in Abb. 2, Herrn Aoki vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR, Stuttgart) für die Proben in den Abb. 4, 6 und 9, Herrn J. Dürr (EADS Dornier GmbH; Friedrichshafen) für die Probe in Abb. 8, Herrn Keller (Euro-Composites S.A.; Luxemburg) für die Probe in Abb. 7, Herrn Schlettig (Scherer & Trier GmbH & Co. KG; Michelau) für die Probe in Abb. 10 sowie Herrn Dr. W. Hillger (Braunschweig) für die gute Zusammenarbeit (Abb. 4b).
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