DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Vielkanal-Ultraschallprüfung in Kontakttechnik - eine neuartige Prüftechnologie setzt sich durch

Sebastian Gripp, Karlstein am Main; Reinhard Spiegel, Stade
Kontakt: Gripp Sebastian Dr.-Ing.

Einleitung

Dieser Beitrag behandelt eine Ultraschall-Prüfanlage, die für die Airbus Deutschland GmbH am Standort Stade zur Prüfung großer Flugzeugkomponenten - auch für den großen Airbus A380 - im März 2003 in Betrieb gegangen ist.

Airbus ist einer der größten Flugzeugbauer weltweit. Das Unternehmen erwirtschaftete im Jahr 2002 mit rund 45.000 Mitarbeitern an 16 Standorten einen Umsatz von 19,5 Mrd. Euro. Allein in Deutschland brachte es die Airbus Deutschland GmbH mit 17.600 Mitarbeitern an 7 Standorten auf 4,50 Mrd. Euro Umsatz.

Im Werk Stade mit ca. 1420 Beschäftigten befindet sich das deutsche Zentrum für CFK-Verarbeitung, in dem die Seitenleitwerke für alle Airbus-Flugzeuge - auch für A380 und A400M - gefertigt werden. Weitere Produktschwerpunkte sind Landeklappenschalen wie für den Typ Single Aisle die Innere und äußere Landeklappe sowie für den A380 die mittlere und äußere Landeklappe. Besonders anspruchsvoll sind die vollständig aus CFK gefertigten Druckkalotten der Typen A340 und A380.

Eine weitere Stärkung der Marktposition wird durch die Entwicklung des neuen Großraumflugzeuges A380 angestrebt, das über 500 Passagieren Platz bieten wird.

Die Dimensionen dieses Flugzeugs stellen auch an die zerstörungsfreie Prüftechnik bisher nicht dagewesene Anforderungen hinsichtlich Fehlernachweisvermögen und Prüfzuverlässigkeit, aber auch hinsichtlich Prüfdurchsatz und Effizienz.

Die Druckkalotte

Die Druckkalotte ist als Teil des Druckspants eine druckführende, gewölbte Wandung, die das hintere Ende des unter Normaldruck stehenden Passagierraumes gegen den umgebenden Atmosphärendruck abschottet. Diese Kalotte wird für den A 380 vollständig aus CFK-Volllaminat hergestellt.

Das Bauteil hat die ungefähre Form eines Ellipsoidsegments, mit einer Berandungskontur, die dem Querschnitt des Flugzeugrumpfes mit über 6 Metern Höhe und über 5 Metern Breite gleicht (s. Bild 1).


Bild 1: Druckkalotte für den Airbus A 380.

Es handelt sich dabei um multiaxiales Gelege mit verstärkenden Steifen. Zu prüfen ist das Material zu 100 %, ebenso wie die Klebung der getrennt ausgehärteten Steifen.

Qualitätssicherung

Die Absicherung der Qualität hat bei der Fertigung von Flugzeugkomponenten aus Faserverbundwerkstoffen zwei Ziele zu verfolgen. Einerseits gilt es, produzierte Komponenten möglichst kurz einer Bewertung hinsichtlich der inneren Bauteilqualität zu unterziehen, andererseits muß die Bewertung sicher und zuverlässig durchgeführt werden. Hierbei sind alle gefertigten Teile vollständig zu prüfen, zuverlässig zu erfassen und für lange Zeit zu dokumentieren. Bei geringen Kosten soll die Produktivität möglichst hoch sein, was einen hohen Automatisierungsgrad bedingt.

Ziele der Qualitätssicherung:
  • QM-bezogen



    und
  • ökonomisch
  • Sicherheit und Zuverlässigkeit bei der Bewertung
  • Reproduzierbarkeit
  • Rückverfolgbarkeit, Langzeitdokumentation
  • Vollständigkeit der Prüfung

  • Schnelle Prüfung, kurze Durchlaufzeit
  • Möglichst geringe Kosten
  • Geringer Personaleinsatz
  • Möglichst hohe Produktivität

    -> möglichst hohe Automatisierung

  • Tabelle 1: Ziele der Qualitätssicherung.

    Bisherige Prüfansätze

    Sollen Komponenten aus CFK Voll-Laminat in manueller Prüfung untersucht werden, so wird dies üblicherweise in Kontakttechnik vorgenommen.

    Vor- und Nachteile der Kontakttechnik
    + Gleichzeitige Erfassung von Fehlerlage, Fehlertiefe und Bauteildicke durch die Erfassung der Laufzeit von Anzeigen
    + Hohe Prüfempfindlichkeit durch gute Energieeinkopplung in das Werkstück (geringer Impedanzsprung)
    + *Hoher Signal-Stör-Abstand durch geringes Hintergrundrauschen
    - Hohe Anforderungen an die Positionsgenauigkeit von Prüfköpfen und Bauteilen, daher schwierig zu automatisieren
    - Niedrige Scangeschwindigkeit wegen des berührenden Kontaktes zum Prüfgegenstand

    Insbesondere wegen der unproblematischeren Ankopplung wird für die automatisierte Prüfung oft auf die Freistrahl- oder Squirtertechnik in Durchschallung zurückgegriffen. Leider hat diese Technik immanent erhebliche Defizite:

    Vor- und Nachteile der Freistrahltechnik
    + Geringere Anforderungen an die Positionierung, daher leichtere Automatisierung
    + Höhere Scangeschwindigkeiten wegen indirekter Ankopplung
    - Keine Information zu Fehlertiefen oder Bauteildicken im Durchschallungssignal
    - Geringere Prüfempfindlichkeit durch hohe Koppelverluste (großer Impedanzsprung)
    - Geringerer Signal-Stör-Abstand durch Turbulenzen und Wasserspritzer

    Ein weiteres Problem der Squirtertechnik ist ihr immanent hoher Platzbedarf für die Freistrahldüsen im Gegensatz zu den leicht platzsparend aufzubauenden Kontakttechnik-Prüfköpfen (siehe Bild 2).

    Bild 2: Handprüfung (links), Squirterprüfung (rechts) von CFK-Bauteilen.

    Erste Vielkanalanlage

    Den oben genannten Erwägungen hat Airbus Rechnung getragen, indem sie im Werk Stade im Oktober 2001 die weltweit erste UT-Prüfanlage in Betrieb genommen hat, welche automatisiert große CFK-Strukturen mit einer sehr großen Anzahl parallel arbeitender Prüfkanäle in Impuls-Echo-Kontakttechnik prüft. Dieser prüftechnische Ansatz hat das Tor zu Prüfgeschwindigkeiten eröffnet, die mit der konventionellen Durchschallungsprüfung mit Freistrahltechnik wegen der geringen Zahl paralleler Kanäle nie zu erreichen gewesen wären, ohne aber auf die spezifischen Vorteile der Impuls-Echo-Technik zu verzichten.

    Die Anlage, die über ein Prüfvolumen von 18.500 mm ´ 3.600 mm ´ 500 mm verfügt, arbeitet seitdem sehr erfolgreich und hat seit Abnahme unter anderem ca. 800 Seitenleitwerksschalen und ca. 1050 Landeklappenschalen geprüft.

    Sie verfügt über 192 UT Kanäle, von denen 96 konventionell betrieben werden, d. h. mit einem Einschwingerprüfkopf pro Kanal, sowie 96 Kanälen für 12 Gruppenstrahlerprüfköpfe. Die Prüffläche betrug zunächst 13 m ´ 3,5 m und wurde im Rahmen der Ertüchtigung für den Airbus A 380 auf 18 m Prüffläche für die A 380-Seitenleitwerksschalen erweitert.

    Bild 3: Erste Vielkanalanlage: Links eine Seitenleitwerksschale während der Prüfung, rechts unten das System der Sammelaufnehmer für die Prüfköpfe, rechts oben eine Ansicht auf die Prüfkopfsohlen.

    Zweite Vielkanalanlage

    Nach diesen überaus positiven Betriebserfahrungen ist nun eine zweite Anlage dieser Art in Betrieb genommen worden, die ein noch vielfältigeres Bauteilspektrum aufzunehmen vermag. Anlaß für diese Beschaffung war der Bau des Großraumflugzeugs Airbus A 380.

    Die Anlage verfügt über eine Prüflänge von 13m und eine Breite von 7m. Die große Breite ist erforderlich, um die A380-Kalotte vollständig übergreifen zu können. Für dieses Bauteil wurde auch die Erweiterung auf eine vertikale Verfahrhöhe von 1.7 m erforderlich.

    Um die Vielseitigkeit der Anlage weiter auszubauen, wurde die Fähigkeit zu einem horizontalen Schwenken um 360° und einem vertikalen Schwenken von +/- 90° implementiert.

    Zusätzlich wurde ein Drehtisch zur Prüfung konzentrischer Teile vorgesehen.

    Mit dieser Anlage, die seit März 2003 abgenommen und im Produktionsbetrieb ist, wurden bisher 3 Druckkalotten A 380, 9 Druckkalotten A 340, 40 Seitenleitwerkschalen und 268 Landeklappenschalen geprüft.

    Obwohl die zu prüfende Oberfläche der A380-Druckkalotte über 30 qm mißt, können in der neuen Prüfanlage mehrere dieser Teile pro Schicht ein- und ausgebracht, vollständig getestet und ausgewertet werden. Die Wandstärken des Bauteils liegen etwa zwischen 3 und 6 mm.

    Bild 4: Zweite Vielkanalanlage mit eingebrachter Druckkalotte A 380, zu prüfen von der konkaven Innenseite aus.

    Auch die Fertigung anderer großflächiger Komponenten für den A380 wie der Schalen des Seitenleitwerks oder der äußeren und mittleren Landeklappenschalen profitieren von der hohen Prüfgeschwindigkeit der neuen Anlage, die damit eine unübertroffene Wirtschaftlichkeit bei der Ultraschall-ZfP dieser Bauteile erreicht.

    Prüftechnik

    Die Anlage prüft mit 80 parallelen Kanälen in einem Prüfsystem für große Flächen und einem zweiten Prüfkopfsystem mit 16 Kanälen, das für rand- und kantennahe Bereiche ausgelegt ist (Bild 5).

    Bild 5: Prüfkopfsystem mit 80 parallelen Köpfen auf einer A 380-Druckkalotte während der Prüfung.

    Beide Systeme sind rein konventionell bestückt, also ohne Gruppenstrahler. In der Anlage werden derzeit nur planparallele Komponenten geprüft, so daß ein Schwenken des Schallstrahls nicht erforderlich ist. Die Anlage ist aber bereits für eine Nachrüstung auf Gruppenstrahlertechnik vorbereitet worden.

    Die Erzeugung der Fahrprogramme erfolgt durch teach in. Für flächige Komponenten werden dazu einzelne Eckpunkte der zu prüfenden Flächen geteacht und daraus die Prüfspuren vorausberechnet. Der Bediener überprüft diese Spuren und kann sie bei Bedarf optimieren. Für drehrunde Teile wie die Druckkalotten wird die Oberfläche durch teachen einzelner Breitenkreise definiert, aus der dann eine automatische Vorausberechnung der Prüfspuren abgeleitet wird. Auch hier ist eine manuelle Überprüfung und Optimierung möglich.

    Durch die großzügige Ausstattung mit mechanischen Freiheitsgraden ist die Prüfung von konkaven wie von konvexen Flächen möglich, d. h. sowohl von der Innen- wie auch von der Außenseite der Kalotte (siehe Bild 6).

    Bild 6: Druckkalotte A 340, mit Prüfung von der konvexen Außenfläche.

    Fehlernachweis

    Als Nachweisgrenze wurde vom Betreiber das sichere Auffinden von Fehlern mit Ersatzreflektorgröße KSR 6 im gesamten Volumen gefordert.

    Zur Verifikation der Einsatztauglichkeit der Prüfanlage wurde eine A380-Kalotte mit Testfehlern versehen (Bild 7). Hierzu wurden an verschiedenen Stellen Flachbodenbohrungen mit 3 mm, 6 mm und 12 mm Durchmesser eingebracht, und zwar rückwandnah (nominal 0.5 mm Tiefe), mittig und prüfflächennah (ca. 0.5 mm unter der Oberfläche).

    Bild 7: Links Positionen der Testfehler, rechts das D-Bild eines Satzes von Testfehlern im Detail (KSR 6).

    Zur Fehlersuche wird zunächst und hauptsächlich das D-Bild herangezogen (Bild 7). Zur weiteren Beurteilung von Anzeigen kann auch das C-Bild überprüft werden.

    Prüftechnisch zeigt das Material CFK immanente Eigenschaften, welche die Ultraschallprüfung deutlich schwieriger machen als bei Stählen. Hierzu gehören vor allem:

    • schwankende Bauteildicke
    • schwankende Schallgeschwindigkeit
    • starke Gefügeanzeigen durch den inhomogenen Aufbau
    • Schallbündelverformung durch Anisotropie des Materials

    Aufgrund dieser Merkmale ist eine Impuls-Echo-Prüfung mit konventioneller Blendentechnik, die nur eine Amplitude und eine Laufzeit pro Blende zu liefern vermag, für CFK unzureichend. Über das gesamte Prüffeld gesehen sind die Bereiche, in denen sich die Laufzeiten von Fehlerechos und Rückwandechos bewegen, können durchaus überlappen. Mit starr im Zeitbereich positionierten Blenden ist der schwankenden Laufzeit des RWE nicht Rechnung zu tragen. Aber auch mit zeitlich geführten Blenden kann das Problem nicht ausgeräumt werden, daß kein Algorithmus in der Lage ist, im einzelnen A-Bild zwischen Rückwand und großem Fehler zu unterscheiden. Daher ist eine zuverlässige Auswertung nur mit bildgebenden Verfahren möglich, die intelligent aus den A-Bilddaten nach verschiedenen Algorithmen C- und D-Bilder generieren.

    Um die Forderung nach A-Bild-Aufnahme mit einem noch machbaren Aufwand für Datenspeicherung und -handling zu vereinbaren, wird ein Algorithmus zur Datenreduktion eingesetzt, der in jedem A-Bild lokale Echomaxima identifiziert und deren Amplitude und Laufzeit speichert. Auf diese Weise ist es möglich, die in einem A-Bild enthaltene Information auf einige Dutzend Bytes zu reduzieren.

    Bild 8 zeigt das D-Bild und das B-Bild einer Referenzplatte mit Testfehlern von 12, 6 und 3 mm Durchmesser. Das Bild ist mit Prüfparametern aufgenommen worden, die für den Nachweis von KSR6 optimiert wurden. Mit reduziertem Spur- und Schußabstand kann die Nachweisempfindlichkeit weiter gesteigert werden.

    Bild 8: B-Bild und D-Bild einer Referenzplatte mit Testfehlern verschiedener Durchmesser (KSR 12 / KSR 6 / KSR 3 von links nach rechts) in verschiedenen Tiefen (von erster bis letzte Lage).

    Im B-Bild wird erkennbar, daß pro A-Bild Fehlerechoinformationen ebenso wie RWE-Informationen aufgenommen wurden. Oft sind auch mehrere Amplituden pro relevantem Echo aus mehreren Halbwellen erfaßt. Das Eintrittsecho wurde ebenfalls erfaßt, ist aber aus der Darstellung ausgeblendet. Für die weiß dargestellten Bereiche lagen die A-Bild-Daten unterhalb einer vorgewählten Schwelle und wurden daher nicht erfaßt (Datenreduktion).

    Bild 9 zeigt die Gesamtübersicht über eine Prüfung einer A340-Kalotte im D-Bild. Die Musterung kommt aufgrund verschiedener verwendeter Materialien mit leicht unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit zustande.


    Bild 9: D-Bild der Prüfung einer Druckkalotte A 340. Die verschiedenen Laufzeiten kommen durch den Einsatz verschiedener Materialien zustande.

    Die geprüfte Fläche ist hier als Abwicklung dargestellt. Während die Auswertung ausschließlich kartesische Koordinaten verwendet, erfolgt die Erfassung in Polarkoordinaten (kontinuierliche Drehung des Drehtellers mit Prüfteil, spurweise radiale Zustellung des Prüfkopfsystems).

    Horizontal ist die Längengradposition bezogen auf die Nullstellung des Drehtellers dargestellt, vertikal der Breitengrad, also die abgewickelte Länge vom Aufpunkt zum Pol der Kalotte. Eine Verzerrung der Darstellung ist hier grundsätzlich unvermeidlich, da generell dreidimensional (zweiachsig) gekrümmte Flächen nicht in einer Fläche verzerrungsfrei dargestellt werden können.

    Um dennoch eine Fehlerbewertung zu ermöglichen, sind in die Darstellung Hilfslinien und Bemaßungen einzublenden, die eine quantitative Vermessung der Anzeigen ermöglichen. Ferner sind die üblichen Protokollierungsinstrumente vorgesehen, die eine Beschriftung und Vermaßung von Anzeigen sowie die bedienerunterstützte Protokollerzeugung ermöglichen.

    Ausblick

    Nachdem mit der neu eingeführten Vielkanal-Ultraschallprüfung in Impuls-Echo-Kontakttechnik eine dramatische Steigerung der Produktivität bei der Erfassung von Meßdaten erreicht werden konnte, rücken nun zunehmend weitere Aspekte des Prüfprozesses in den Vordergrund, denen ein teilweise erhebliches Optimierungspotenzial zukommt:

    • Weitere Verbesserung der Benutzerunterstützung für die Auswertung und Bewertung
    • Automatisierte Aus- und Bewertung, sicher nur als teilautomatisierte Prozesse mit Führung durch den Bediener machbar
    • Prüfung extremer Geometrien (Radien, Winkel)
    • Aufrüstung der Anlage auf andere Prüftechniken, z. B. Ankopplung ohne Wasser (Luft-Ultraschall), natürlich nur bei Bauteilen und Prüfaufgaben, bei denen diese Koppeltechnik erfolgreich einsetzbar ist.

    STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net