DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Anwendung von Linienarrays zur schnellen und wirtschaftlichen Prüfung von Flugzeugkomponenten

Rainer Meier, intelligeNDT Systems & Services, Erlangen
Rudolf Henrich, Airbus, Bremen
Kontakt: Meier Rainer Dipl.-Ing.

1. Einführung

Durch die Einführung der Phased Array Technik wurde die mechanisierte und automatisierte Ultraschallprüftechnik nachhaltig beeinflusst. Die Fähigkeit der ArrayPrüfköpfe, verschiedene Wellenarten unter unterschiedlichen Einschallwinkeln elektronisch gesteuert erzeugen zu können, führte zu vereinfachten mechanischen Prüfaufbauten und zur schnelleren und wirtschaftlicheren Prüfdurchführung. Zum Beispiel wurden bei der Prüfung von Reaktordruckbehältern in Kernkraftwerken durch konsequente Nutzung von Array prüfköpfen in Verbindung mit dem leistungsfähigen Ultraschallsystem SAPHIR bzw. SAPHIR plus (siehe Abb. 1) die Prüfzeiten innerhalb von wenigen Jahren mehr als halbiert! Ein vergleichbarer Innovationsschub ist nun für verschiedene Anwendungen durch die Markteinführung der Linienarrays zu erwarten. Im Schwerpunkt dieses Vortrages sollen Prüfanwendungen von Linienarrays in der Fertigung und Wartung von Flugzeugkomponenten stehen.


Abb 1: Phased Array Prüfgerät SAPHIRplus.

Ein Linienarray weist eine lineare Anordnung vieler Arrayelemente auf, wobei für einen einzelnen A-scan nur eine Untermenge der Arrayelemente als aktive Elementgruppe genutzt wird. Um einen Scan in Arraylängsachse auszuführen, wird die aktive Elementgruppe von Prüftakt zu Prüftakt weitergeschaltet (elektronischer Scan). Je nach Arrayauslegung und Anwendungsfall erfolgt das Weiterschalten jeweils um ein Element, in Sonderfällen um mehrere Elemente. Effektiv kann auch ein Scanabstand von einer halben Elementbreite erzielt werden, z.B. dadurch, dass abwechselnd von Takt zu Takt einmal eine gerade und darauffolgend eine ungerade Elementanzahl aktiviert wird. Das Funktionsprinzip eines Linienarrays zeigt die Abb. 2, Fotos eines ausgeführten Arrays sind in Abb. 3 und 4 dargestellt.


Abb 2: Funktionsweise eines Linienarrays.

Abb 3: Ansicht eines Linienarrays mit Kabel und Stecker.

Abb 4: Linienarray, Ansicht von unten.

Nach unserem Verständnis ist im Allgemeinen ein Linienar ray mit der zugehörenden Elektronik so ausgelegt, dass es die Funktionalität eines Gruppenstrahlerprüfkopfes umfasst und somit zumindest in bestimmten Grenzen die Möglichkeit der Schrägeinschallung und der elektronischen Fokussierung bietet (siehe Abb. 5).

Linienarrays machen in vielen Fällen, vor allem bei schmalen Prüfflächen, ein mechanisches Versetzen des Prüfkopfes überflüssig. Der mechanische Aufbau der Prüfeinrichtung samt Steuerung wird damit einfacher,die Prüfzeit wird verkürzt. Für einfache Prüfaufgaben, vor allem in der Wartung, bietet sich eine "teilmechanisierte" Prüftechnik an: Das Linienarray wird entlang einer z.B. mittels Saugnäpfen befestigten Schiene geführt, die Position mit einem Positionsgeber gemessen. Diese einfache Prüftechnik weist bezüglich der Ergebnisdarstellung alle Vorteile und Möglichkeiten der automatisierten Prüfung auf.


Abb 5: Möglichkeiten der Phased Array-Ansteuerung.

Grundlegende Entwicklungen zur Linienarraytechnik wurden durch Firma intelligeNDT im Rahmen des vom BMB+F geförderten MaTech-Verbundprojektes "Charakterisierung von CFK-Strukturen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren" durchgeführt. Weitere Partner in diesem Projekt sind die Airbus Forschung und Entwicklung, Bremen, die Technische Universität Hamburg-Harburg und das Ingenieurbüro Dr. Hillger, Braunschweig.

2. Besonderheiten in der Anwendung von Arraylinealen

Mit Arraylinealen kann Kontakt- oder Tauchtechnik angewandt und sowohl in Impuls-Echo als auch in Durchschallung gearbeitet werden. Kontakttechnik bietet sich vor allem für solche Fälle an, wo mit relativ einfachen Mitteln eine halbautomatisierte Prüfung realisiert werden soll (siehe Abb. 6). Da Arraylineale aufgabengemäß relativ lang sind und die zu prüfenden Komponenten in den seltensten Fällen eine exakt ebene Oberfläche aufweisen, ist sicherzustellen, dass Koppelspaltschwankungen keine Amplitudenschwankungen verursachen. Dies wird durch geeignete Wahl des Vorlaufstreckenmaterials erreicht.


Abb 6: Lineararray mit Positionsgeber.

Bei Frequenzen oberhalb ca. 5 MHz wird die Schallschwächung in Kunststoffvorlaufstrecken sehr groß. Insbesondere werden die hochfrequenten Signalanteile sehr stark gedämpft, die resultierende Prüffrequenz liegt weit unterhalb der Nennfrequenz. Hier bietet es sich an, Wasser als Vorlaufstreckenmaterial in einer geschlossenen Vorlaufkammer zu verwenden. Diese Vorlaufkammer wird nach oben hin durch die Prüfkopfsohle und nach unten hin durch eine Membran abgegrenzt. Der Abstand zwischen Membran und Prüflingsoberfläche beträgt wenige 1/100 mm, das Arraylineal wird wie ein Kontakttechnikprüfkopf gehandhabt. Bei dieser Technik ist die richtige Materialwahl für die Membranfolie sehr wichtig, damit das Ultraschallsignal nichtbeeinträchtigt wird.

Bei Verwendung der Vorlaufkammertechnik ist es auch einfach möglich, den Ultraschallstrahl quer zur Arraylänge über eine Zylinderlinse zu fokussieren (siehe Abb. 7). Wenn nun auch noch in Arraylängsrichtung über elektronische Verzögerung fokussiert wird, dann erreicht man eine sehr hohe prüftechnische Auflösung.


Abb 7: Lineararray mit Vorlaufkammer und Zylinderlinse zum Fokussieren.

3. Anwendungsbeispiele in Durchschallungs- und Impuls-Echo-Technik

Bei den folgenden Beispielen wurden Linienarrays mit einer Prüffrequenz von 4 MHz, 64 Elementen und einer Einzelelementabmessung von 8 mm ´ 0,7 mm verwendet. Das gesamte Array ist ca. 45 mm lang, damit ergibt sich eine Prüfbreite pro Scan von ca. 40 mm. Die Piezoelemente sind hoch bedämpft, die HF-Signale sehr kurz, wie das an einer CFK-Komponente aufgenommene A-Bild in Abb. 8 zeigt.


Abb 8: A-Bild, gemessen an CFK-Bauteil.

3.1 Prüfung einer ebenen CFK-Platte in Durchschallung (Tauchtechnik)
Beim Einsatz von Linienarrays in automatisierten Prüfanlagen kann pro Scan eine große Prüfbreite abgedeckt werden. Damit ergeben sich große Prüfdurchsätze. Die Abb. 9 zeigt zwei Arraylineale, befestigt an einem Bügel. Durch Stellschrauben können beide Lineale sowohl sauber fluchtend zur Prüflingsoberfläche als auch parallel zueinander ausgerichtet werden. Das Prüfergebnis an einer CFK-Platte mit Folienreflektoren KSR 6, KSR 8 und KSR 10 wird in Abb. 10 im C-Bild gezeigt. Im rechts dargestellten B-Bild ist zu erkennen, dass drei Scans mit 40 mm Versatz gefahren wurden. Der Versatz der Schalllaufzeiten über die Arraylänge ist auf unsauberes Ausrichten der Lineale zurückzuführen. Jedoch zeigt die über das ganze C-Bild gleichmäßige Farbbelegung der Reflektorenränder, dass dies toleriert werden kann.


Abb 9: Anordnung von zwei Linienarrays zur Prüfung in Durchschallung.


Abb 10: CFK-Platte in Durchschallung (Tauchtechnik).

3.2 Prüfung der ebenen Platte in Impuls-Echo-Technik (Tauchtechnik)
Der gleiche Plattenbereich wurde auch in Impuls- Echo-Technik geprüft. Vorteil hierbei ist die Information über die Tiefenlage der Reflektoren. Die Echoblende wurde über das Eintrittsecho gesteuert, alle Daten wurden im ALOK-Mode aufgenommen. Die Ergebnisse zeigt Abb. 11: Die Reflektoren sind KSR 6 (obere Reflektorreihe im C-Bild), KSR 8 (mittlere Reihe) und KSR 10 (untere Reihe). Die linken Reflektoren sind zwischen vorletzter und letzter Laminatlage plaziert (ca. 0,3 mm vor der Rückwand), die rechten zwischen erster und zweiter Laminatlage (ca. 0,3 mm unter der Oberfläche). Die Reflektoren in der mittleren Spalte sind mittig zur Plattendicke eingebracht. Alle Reflektoren werden mit gutem Signal-/Rauschabstand gefunden. Die Echoamplitude der Reflektoren dicht unter der prüfkopfseitigen Oberfläche (rechte Spalte) ist geringer, als die der anderen Reflektoren, da bei der gezeigten Parametereinstellung hier nicht das direkte Echo, sondern das Wiederholungsecho erfasst wird.


Abb 11: CFK-Platte in Durchschallung (Impuls-Echo).

3.3 Prüfung der ebenen Platte in Kontakttechnik
Die Prüfung in Kontakttechnik bietet sich für kleinere Prüfaufgaben und im Bereich der Wartung an, weil der mechanische Aufwand hierfür sehr gering ist. Beim hier gezeigten Beispiel wurde das Linienarray auf der zu prüfenden Platte einmal an einem Lineal entlanggezogen, die Position längs der Bewegung wurde mit einem Impulsgeber erfasst. Geprüft wurde die KSR 10 - Reflektorreihe. In Abb. 12 ist das Ergebnis dargestellt: Zu erkennen ist in schwarz das Rückwandecho; die drei Reflektoren schatten - unabhängig von ihrer Tiefe - das Rückwandecho ab. In den durch die Abschattung gebildeten Kreisringen ist das Echo der direkten Anschallung der Reflektoren zu erkennen.


Abb 12: Handgeführter Linienscan, Reflektorecho mit Rückwandecho.

Die Gleichmäßigkeit des Ultraschall echos über alle Arrayelemente hinweg wird in Abb. 13 demonstriert: Das Rückwandecho liegt im gesamten Prüfbereich innerhalb einer Toleranz von ± 1 dB. Selbst im li nken Bereich des Bildes, wo das Array leicht von der Oberfläche abgehoben wurde (zu erkennen am weglaufenden Rückwandecho), verändert sich die Echoamplitude nicht.


Abb 13: Handgeführter Linienscan, gleichmäßiges Echo beim Abheben.

3.4 Stringerprüfung
Stringer sind sehr langgestreckte Bauteile mit schmalen Querabmessungen und sind damit hervorragend zur Prüfung mittels Arraylineal geeignet. Bei richtiger Dimensionierung des Lineals genügen ein- oder zwei Scans zur Erfassung der Prüfbreite und durch seitliche Anschläge kann eine genaue Längsführung sichergestellt werden. Die Position der Längsbewegung kann wieder mit einem Reibrad-Impulsgeber oder mittels Seilzuggeber erfasst werden.

Die Abb. 14 zeigt ein Stringerstück, in das von der vorderen Stirnseite eine 1 mm Zylinderbohrung eingebracht wurde. Bei einer Arrayposition nahe der Stirnseite wurde das in Abb. 15 gezeigte B-Bild aufgenommen: Sehr deutlich ersichtlich ist das Rückwandecho, das sich in der Mitte im Bereich des Steges verliert. Die im Foto Abb. 14 zu erkennende Klebeschicht liefert ein mehr oder weniger starkes Zwischen echo, das im B-Bild ebenfalls erkennbar ist. Die 1 mm Zylinderbohrung tritt in der Mitte des Stegbereiches deutlich hervor.


Abb 14: CFK-Stringer mit Zylinderbohrung.


Abb 15: Online B-Bild-Darstellung Stringer mit Zylinderbohrung.

In der Abb. 16 wird das Projektionsbild der Stringerprüfung dargestellt. Die Bereiche im C-Bild mit hohem Echo (schwarze Farbe) stellen die parallele Rückwand dar. Im Bereich des Steges im Zentrum sowie im Bereich fliehender Rückwände verschwindet das Rückwandecho. Die Geometrie in der Seiten- und Endansicht wirkt komplex, ist aber auf die sich ändernden Wanddicken zurückzuführen. Die 1 mm Zylinderbohrung ist in 6 mm Tiefe einwandfrei zu erkennen.


Abb 16: Projektionsbild Stringer bei handgeführtem Scan.

3.5 Erhöhung der Auflösung zur Fehlercharakterisierung
Das für die hier beschriebenen Untersuchungen verwendete Lineararray ist aufgrund der Abmessungen und der Frequenz in der Auflösung begrenzt. Durch elektronische Fokussierung kann trotzdem eine Verbesserung der Auflösung erreicht werden. Im C-Bild einer Stringerprüfung Abb. 17 oben ist die Gewebestruktur der CFK-Lagen zu erkennen. Das Schallbündel des verwendeten Arrays betrug ca. 2,5 mm ´ 1,2 mm.

Abb 17: Fokussiertes Linienarray zur besseren Auflösung der CFK-Struktur.

Bei Prüffrequenzen von 10 MHz und mehr können durch Fokussierung (Zylinderlinse und elektronisch) Fokusdurchmesser von 0,6 mm und kleiner erreicht werden, was eine sehr gute Auflösung ermöglicht.

4. Entwicklungstrend bei Prüfanlagen und in der Wartung

Die Kostendegression im Bereich elektronischer Bauteile macht vielkanalige Ultraschallsysteme samt Elektronik zur Schallbündelsteuerung immer preiswerter. Dieser Trend wird sich weiterhin fortsetzen. Prüfanlagen mit mehreren parallelen Linienar rays sind in der Diskussion. Der Anschaffungsaufwand für die Sensorik ist zwar relativ hoch, durch geeignete konstruktive Maßnahmen kann aber der Verschleiß sehr gering gehalten werden und Teilausfälle von Arrayelementen sind nach unseren Erfahrungen äußerst selten. Somit ist mit langer Lebensdauer zu rechnen. Das Problem der Ankopplung langer Arrays an unebene Oberflächen ist bei richtiger Auslegung lösbar. Damit ist - ausgehend vom heutigen hohen Stand der Prüfanlagen für Luftfahrtkomponenten - eine Beschleunigung der Prüfdurchführung und in Grenzen auch eine Vereinfachung der Prüfmechanik erreichbar. Für kleinere Aufgaben in der Fertigungsprüfung und in der Wartung von Flugzeugen eröffnet die Anwendung von Linienarrays überhaupt erst eine wirtschaftliche, objektive und dokumentierte Prüfung. Dies betrifft sowohl CFK-Komponenten, als auch Bauteile aus Aluminium.

Folgende Bauteile bzw. Prüfaufgaben eignen sich besonders für die Anwendung von Linienarrays:

  • Stringer und Stringerfüße aus CFK,
  • Laserschweißnähte an Aluminiumstringern,
  • Teilbereiche an Flugzeugaußenschalen, die z.B. auf Impactschäden zu prüfen sind,
  • Hohlprofile mit parallelen oder konisch zulaufenden Kammern, deren Stege von Außen nicht prüfbar sind,
  • komplex geformte Bauteile mit Querschnittsübergängen und Kanten, die in Kontakttechnik, Tauchtechnik oder durch Squirtern nicht wirtschaftlich prüfbar sind,
  • großflächige ebene bis leicht gerundete Bauteile, für die ein hoher Prüfdurchsatz erforderlich ist.

Als Lösung kommen

  • einfache, entlang eines Anschlags von Hand geführte Linienarrays mit Reibrad Impulsgeber oder Seilzug-Impulsgeber oder
  • mehrere teleskopisch zueinander in der Länge verschiebbaren Linienarrays, die z.B. den Steg in einem Hohlraum auf seiner ganzen Länge bei variierenden Abmessungen prüfen können, oder
  • an die Prüflingskontur angepasste Linienarrays in Impuls-Echo oder Durchschallung oder
  • Prüfanlagen mit einer Reihe von mehreren mechanisch geführten Linienarrays in Frage.

Aufgrund der Vorlaufstreckentechnik mit Triggerung auf das Eintrittsecho sind bei Impuls-Echotechnik die zu prüfenden Wandstärken auf 30 bis 40 mm (CFK) bzw. 15 bis 20 mm (Aluminium) begrenzt. Bei Durchschallung können auch noch größere Wanddicken geprüft werden. Bei komplexeren Bauteilen ist die Einschallrichtung wegen der akustischen Anisotropie der CFK-Materialien relativ zur Faserrichtung zu optimieren.

5. Ausblick

Unser derzeitiger Handlungs- und Entwicklungsschwerpunkt betrifft die Entwicklung höherfrequenter Linienarrays bis 20 MHz, sowie die Miniaturisierung der zugehörigen Elektronik. Damit werden in Kürze kompakte und leistungsfähige Komponenten zur Verfügung stehen, die sich auch für einen Einsatz im Bereich der Flugzeugwartung hervorragend eignen werden.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net