Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Adaptive Strukturen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff mit integrierten oder applizierten Piezokeramiken bieten durch ihre aktuatorischen und sensorischen Fähigkeiten neuartige Möglichkeiten zur Charakterisierung von Funktions- und Struktureigenschaften. Das Ziel ist eine kontinuierliche und integrale Eigenüberwachung (health monitoring).
Die Aktuatoren/Sensoren agieren dabei als Sender bzw. Empfänger der problemspezifischen Testsignale. Besonders perspektivreich erscheinen die elektrische Impedanzspektroskopie und Methoden, die Ultraschall-LAMBwellen (Plattenwellen) nutzen.
Für die LAMBwellenmethoden ist zwischen einer sensorisch-aktuatorischen Anwendung, bei der die Piezokeramiken LAMBwellen erzeugen und empfangen und einer rein sensorischen Nutzung, bei der durch Schädigungsereignisse hervorgerufene Schallwellen detektiert werden, zu unterscheiden.
Für die genannten Methoden werden grundlegende Untersuchungen an unterschiedlichen adaptiven CFK-Strukturen vorgestellt, wobei für die Schädigungsdetektion Impactschäden im Mittelpunkt stehen.
Adaptive Strukturen zeichnen sich durch die Eigenschaft aus, auf wechselnde Betriebs- oder Umgebungsbedingungen geregelt reagieren zu können. Voraussetzung sind sensorische und aktuatorische Fähigkeiten [1], [2]. Vorzugsweise wird dies durch strukturkonforme Integration von Sensoren und Aktuatoren in den Werkstoff realisiert, wobei faserverstärkte Kunststoffe mit integrierten Piezokeramiken sowohl hinsichtlich der Herstellungsmöglichkeiten als auch ihrer Eigenschaften attraktive Werkstoffe sind [2 - 4]. Sie verbinden Leichtbauprinzipien mit gezielten anisotropen Eigenschaften und adaptiven Fähigkeiten.
Erfolgversprechende Anwendungen zeichnen sich bei der aktiven Gestaltkontrolle sowie bei der Schwingungsdämpfung und Lärmbekämpfung ab [2], [4 - 6]. Eine weitere Zielsetzung ist das health monitoring, d.h. die Überwachung der strukturellen und funktionalen Integrität durch die Struktur selbst [1], [7 - 9].
Die im Beitrag betrachteten Komposite aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit strukturkonform integrierten Piezokeramikplättchen wurden vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Braunschweig entwickelt und nach dem DP-RTM-Verfahren (Differential Pressure-Resin Transfer Moulding) gefertigt. Bild 1 zeigt schematisch Herstellung und Aufbau eines typischen Werkstoffsystems.
Es besteht aus vier unidirektionalen CFK-Lagen in [0,902,0]-Anordnung mit einer eingebetteten Piezokeramikplatte aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), die eine Dicke von 0,2mm aufweist. Schichten aus Polyestervlies sorgen für die notwendige elektrische Isolierung gegen die leitfähigen Kohlefaserschichten. Die erforderliche Ansteuerung der Piezokeramik erfolgt über separate Leiterbahnen aus Kohlefasermaterial (Rovings) oder durch Fenster in der Isolation über die CFK-Lagen. Variationen betreffen den Aufbau (Schichtanzahl und -folge, unterschiedliche Ausgangsmaterialien und die elektrische Kontaktierung der Piezokeramik).
Abb 1: Aufbau und Herstellung adaptiver CFK-Komposite . |
Unterschiedliche Materialfehler können sowohl bei der Herstellung als auch durch mechanische, thermische und/oder elektrische Belastung im Einsatz der Strukturen verursacht werden. Ein hohes Schädigungspotential weisen rissartige und flächenhafte Fehler (z.B. Delaminationen) auf. Von besonderer Bedeutung sind die in oder an der Piezokeramik auftretenden Defekte, die neben den mechanischen besonders auch die sensorischen oder aktorischen Fähigkeiten beeinflussen können.
Prüfungen mit konventionellen zerstörungsfreien Verfahren werden üblicherweise im Rahmen periodischer Inspektionen ausgeführt. Die Inspektionsintervalle müssen einer möglichen Schädigungsentwicklung und dem Risiko für das Objekt angepasst sein, da in den Zwischenzeiten keine Überwachung stattfindet. In einer Vielzahl von Fällen sind die konventionellen Prüfverfahren auch nur lokal wechselwirkend, was die Notwendigkeit des Abscannens eines Objekts mit sich bringt. Vorteilhaft ist die Erzeugung von Bildern, die zumeist eine hohe Aussagefähigkeit besitzen.
Das Ziel des health monitoring besteht darin, Strukturen mittels integrierter Sensoren/Aktuatoren zu einer Selbstüberwachung zu befähigen und im Fall einer Schädigung zu warnen. Die Überwachungsfunktion soll zeitlich kontinuierlich und räumlich möglichst integral erfolgen. Angestrebt werden Ergebnisse, die nicht nur qualitativ eine Schädigung detektieren, sondern auch eine Ortung, Größenbestimmung und Bewertung ermöglichen [9].
Insgesamt sollen durch Abkehr von bisherigen Inspektions- und Wartungsschemata Kosten reduziert und weiterführende Prüfungen nur im Bedarfsfall realisiert werden.
Besonders perspektivreich für das health monitoring von CFK-Piezokeramik-Strukturen erscheinen die schematisch im Bild 2 dargestellten Varianten. Hierbei handelt es sich um die elektrische Impedanzspektroskopie und Methoden, welche die Fähigkeit der integrierten Piezokeramik zum Senden oder Empfangen von Ultraschall-LAMBwellen nutzen.
Bei der Impedanzspektroskopie wird die Kopplung zwischen den elektrischen Eigenschaften der Piezokeramik und den mechanischen Eigenschaften des Gesamtobjekts für eine Charakterisierung genutzt [10 - 13].
Mittels LAMBwellen ist entweder eine gezielte Überwachung von Bauteilbereichen durch aktuatorische Erzeugung der LAMBwellen und deren Empfang durch verteilte Sensoren oder die sensorische Erfassung der durch schädigende Ereignisse (z.B. durch einen Impact) erzeugten Schallwellen einschließlich Ortung und Bewertung der Schädigung möglich [7], [14 - 18]. Im Fall eines Impacts agiert die integrierte Piezokeramik dementsprechend als Impactsensor.
Abb 2: Varianten des health monitoring in adaptiven CFK-Strukturen.
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Grundlagen
Die betrachteten adaptiven CFK-Piezokeramik-Verbunde bilden durch ihre Kombination elektrisch unterschiedlicher Strukturkomponenten ein typisches Beispiel einer Schaltung mit der Verknüpfung kapazitiver und resistiver Anteile.
Die Piezokeramik ist dabei eine verlustbehaftete Kapazität, die durch die Komponenten RP und CP charakterisiert wird. Die elektrischen Leitungen (z.B. Kohlefaserrovings) sowie die Kontaktwiderstände gehen als ohmsche Widerstände ein, die zu RR summiert werden können. Bild 3 zeigt das resultierende Ersatzschaltbild einer adaptiven CFK-Struktur.
Abb 3: Elektrisches Ersatzschaltbild einer adaptiven Struktur.
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Die resultierende Gesamtimpedanz ergibt sich folglich aus
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Hieraus lässt sich der prinzipielle Verlauf der in Bild 4 dargestellten Abhängigkeit von Betrag und Phase von der Frequenz ableiten.
In diesem Bild werden darüber hinaus durch elektromechanische Kopplung bedingte Unstetigkeitsstellen im Kurvenverlauf sichtbar, die mechanischen Resonanzen des Objekts entsprechen. Die Kopplung zwischen den mechanischen und elektrischen Größen kann nach Liang u.a. [19] durch
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beschrieben werden. Hierbei ist Y die gekoppelte elektro-mechanische Admittanz, Y22 der Elastizitätsmodul der Piezokeramik, d32 die piezoelektrische Ladungskonstante, e 33 die dielektrische Konstante, d der Verlustfaktor der Piezokeramik, w die Kreisfrequenz, a das Verhältnis von Fläche zu Dicke (Geometriekonstante) der Piezokeramik und ZA sowie ZS sind die mechanischen Impedanzen der Piezokeramik und der Struktur.
Abb 4: Gemessenes Impedanzspektrum (Betrag und Phase).
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Modellierung
Eine elektromechanische Modellierung mittels finiter Elemente gestattet durch Berechnung der Eigenmoden und -frequenzen eine Identifizierung der mechanischen Resonanzen und eine Einschätzung verschiedener Einflussfaktoren. Bild 5 zeigt schematisch die verwendeten Streifenproben (50x300x1,5 mm3) mit einer einlaminierten rechteckigen Piezokeramik (30x50x0,2 mm3) und dem eingesetzten Netz für die FE-Modellierung.
Abb 5: CFK-Streifen mit einlaminierter Piezokeramik.
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Die numerische Modalanalyse liefert dabei die jeweiligen Dehnungen e i in der Mittenebene des Streifens und die Krümmungen ki , die dann nach der von Preumont [20] angegebenen Form
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die Spannung der Piezokeramik ergeben. Hierbei sind EP und VP der Elastizitätsmodul und die Poissonkonstante der Piezokeramik, hi und hi-1 die Abstände der Elektroden von der Mittenebene und Cr die Kapazität des Messverstärkers.
Bild 6 verdeutlicht die aus der Modalanalyse resultierenden Schwingungsmuster, aufgetragen als relative Dehnungen über der Streifenlängskoordinate, am Beispiel der ersten drei longitudinalen Moden in Längsrichtung des Streifens.
Abb 6: Schwingungsformen der ersten drei longitudinalen Moden in Längsrichtung.
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Abb 7: Impedanzspektrum einer Streifenprobe: a) Ausgangszustand, b) Längenverkürzung der Probe um 40 mm.
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Diese Moden lassen sich, wie Bild 7 zeigt, den entsprechenden Resonanzstellen der gemessenen Impedanz bei 9,5 und 27 kHz zuordnen. Aus der in Bild 6 dargestellten Modenform erklärt sich damit auch, warum nur der erste und dritte Mode nennenswert in Erscheinung treten. Der zweite Mode hat im Bereich der Piezokeramik einen Knoten und ist damit sensorisch kaum zu erfassen. Der dem dritten Mode folgende Pik bei 53 kHz ist der erste longitudinale Mode in Breitenrichtung der Probe.
Experimentelle Ergebnisse
Bestätigt werden die Ergebnisse durch Messungen an einer in Längsrichtung gekürzten Probe. Zur besseren übersicht ist die Kurve der gekürzten Probe im Bild 7 um 0,1 Einheiten vertikal verschoben. Erwartungsgemäß tritt eine leichte Erhöhung der Frequenz des ersten und dritten Longitudinalmodes auf, begleitet von einer Verkleinerung des Piks des dritten Modes, was sich mit der verminderten sensorischen Empfindlichkeit der nunmehr außermittig bezüglich der Längsrichtung angeordneten Piezokeramik erklären lässt.
Die gute Übereinstimmung modellierter und gemessener Impedanzspektren zeigt das Bild 8. Im Kurvenverlauf wird die Dominanz der ohmschen Widerstände der Leitungen und der Kontaktwiderstände bei hohen Frequenzen deutlich. Es werden die Kurven von drei Proben gezeigt, die mit unterschiedlichen Kontaktklebstoffen (auf Silber- und Grafitbasis) bei ansonsten identischem Aufbau kontaktiert wurden. Diese Messungen weisen auf deutliche Unterschiede der Kontaktqualität bei dieser Herstellungsvariante hin.
Abb 8: Auswirkung unterschiedlicher Kontaktierungen: a) und b) Kontaktklebstoff auf Silberbasis, c) Kontaktklebstoff auf Grafitbasis, links gemessen, rechts modelliert.
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Die Möglichkeit, mittels Impedanzspektroskopie Schädigungen zu detektieren, veranschaulicht Bild 9. Es zeigt die Auswirkungen eines doppelten Impacts auf eine Streifenprobe mit einer Position ca. 50 mm von der Kante der Piezokeramik entfernt. Als Schädigung im CFK-Basismaterial entstand eine Delamination mit einer Fläche von ca. 80 mm2. Ein Vergleich der Referenzkurve vor der Schädigung mit dem geschädigten Zustand zeigt den Effekt eines relativ geringfügig veränderten ohmschen Anteils der Impedanz, der auf Degradation der elektrischen Kontakte hinweist. Deutlicher sind hingegen die Veränderungen der Resonanzstellen, die auch jeweils individuell unterschiedlich stark ausgeprägt erscheinen. Während die Resonanzen bei 27 und 53 kHz nur ihre Form und Amplitude änderten, verschwanden die Resonanzen bei 3,7 kHz vollständig. Bild 9 verdeutlicht dies an einem vergrößerten Ausschnitt aus diesem Bereich.
Abb 9: Impedanzspektrogramm einer durch Impact geschädigten Probe.
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Integrierte Piezokeramiken können bei geeigneter Anregung nicht nur Longitudinalwellen senkrecht zur Plattenebene emittieren, sondern auch LAMBwellen, die sich in der Ebene der plattenförmigen Gesamtstruktur ausbreiten. Es existieren symmetrische und asymmetrische Grundmoden mit einer Vielzahl höherer Moden, so dass prinzipiell bei einer Frequenz mindestens zwei Moden ausbreitungsfähig sind. Existenz und Eigenschaften werden neben den Werkstoffeigenschaften von der Plattendicke und der Frequenz bestimmt. LAMBwellen sind dispersiv und weisen somit eine Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Frequenz auf.
Die Existenz mehrerer Moden wird im A-Bild von LAMBwellen, erzeugt durch eine integrierte Piezokeramik, sichtbar. Das B-Bild gestattet die deutlichere Unterscheidung der Moden durch ihre unterschiedliche Geschwindigkeit.
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Abb 10: A- und B-Bild von LAMBwellen, erzeugt durch eine integrierte Piezokeramik .
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Die eingebetteten Piezokeramikplatten erzeugen hauptsächlich die symmetrischen und asymmetrischen Grundmoden, wobei im A-Bild von Bild 10 der symmetrische Mode dominiert. Als Quellort wurden die Kanten der Piezokeramik identifiziert.
In Abhängigkeit von der geometrischen Form des Senders gestaltet sich das abgestrahlte LAMBwellenfeld. Wie Bild 11 zeigt, hat ein rechteckiger Wandler eine markante Richtcharakteristik des LAMBwellenfeldes zur Folge, die in den Diagonalenrichtungen sehr stark verminderte Amplituden aufweist. Hingegen erzeugt eine runde Piezokeramik erwartungsgemäß ein zirkulares Wellenfeld.
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Abb 11: LAMBwellenfelder einer rechteckigen und einer runden Piezokeramik .
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Deutlichen Einfluss auf die Eigenschaften der LAMBwellen haben auch die jeweilige Werkstoffstruktur und die Geometrie. Dies verdeutlicht Bild 12 an Hand der Schallgeschwindigkeit in einer adaptiven Struktur. Es handelte sich hierbei um eine verrippte Platte aus einem 0°/90°-CFK-Gewebe. Die hier ausgeprägt anisotropen Materialeigenschaften und die Geometrie des Objekts spiegeln sich deutlich in der Richtungsabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit wieder.
Abb 12: LAMBwellengeschwindigkeit in einer adaptiven CFK-Struktur.
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Bild 13 illustriert die Wechselwirkung von LAMBwellen mit Fehlern. Im Ausbreitungsweg der Welle befindet sich eine durch Impact verursachte Delamination des CFK-Materials. Der deutliche Nachweis dieser Schädigung zeigt das Potenzial der LAMBwellentechnik für die Detektion derartiger Schädigungen.
Abb 13: Nachweis einer durch Impact verursachten Delamination mittels LAMBwellen.
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Adaptive CFK-Komposite eröffnen durch die integrierte Piezokeramik Möglichkeiten einer kontinuierlichen und integralen Eigenüberwachung (health monitoring).
Besonders perspektivreich erscheinen die elektrische Impedanzspektroskopie und Methoden, die Ultraschall-LAMBwellen (Plattenwellen) nutzen. Auf dem Weg zur praktischen Realisierung besteht Forschungsbedarf in einer Reihe von Grundsatz- und Applikationsfragen bezüglich der Signalentstehung und -ausbreitung, der Nachweisbarkeit unterschiedlicher Schädigungen, der einzusetzenden Gerätetechnik und der Entwicklung geeigneter Auswerteverfahren (Signalverarbeitung, Auswerte- und Bewertungsalgorithmen).
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