DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Neuartiges Prüfsystem zur US-Prüfung komplexer CFK-Bauteile

Dr.-Ing. Sebastian Gripp, Karlstein; Dr. Jan Nowacki, Donauwörth
Kontakt: Dr.-Ing. Sebastian Gripp

Einleitung

Im Flugzeugbau gewinnt der Einsatz von CFK immer größere Bedeutung. Dabei spielen nicht nur die materialtechnischen Vorteile eine Rolle wie geringes Gewicht bei hoher Festigkeit; auch die Möglichkeit, viele Funktionen und Einzelteile aus metallischen Komponenten zu ersetzen durch einige wenige Bauteile mit erheblich erweiterter Komplexität und Funktionalität bedeutet ein großes Plus für die interne Logistik und die Arbeitsabläufe in der Fertigung.

Allerdings führt diese Tendenz zu immer komplexeren Bauteilen hinsichtlich Geometrie und innerem Aufbau. Ganz besonders gilt dies für Hubschrauberkomponenten, wie sie von der Firma Eurocopter in Donauwörth gefertigt werden. Diese Teile weisen in der Regel zahlreiche, oft zweiachsig gekrümmte Oberflächen unterschiedlichster Krümmungsradien, Hinterschneidungen und viele verschiedene Materialmischungen auf (Bild 1).

In letzter Zeit wird auch verstärkt Augenmerk auf die Porosität des CFK-Werkstoffes gelegt und versucht, hierfür geeignete - das heißt auch: messbare - Kennwerte zu definieren und quantitativ zu erfassen. (Siehe hierzu den Beitrag P43 von R. Oster und R. Meier )


Bild 1: Komplexe Geometrien als Bauteilspektrum für die Prüfanlage

Um diese Bauteile einer gesicherten Qualitätskontrolle zu unterziehen, ist die Ultraschallprüfung oft unverzichtbar, wegen der komplexen Geometrien aber schwer automatisierbar. Deswegen ist der Anteil der manuellen Ultraschallprüfung auch heute noch recht hoch.

In enger Zusammenarbeit zwischen Anwender - der Fa. Eurocopter Deutschland GmbH, Werk Donauwörth - und Hersteller - der intelligeNDT Systems & Services GmbH & Co. KG, Erlangen - wurde nun eine Anlage zur automatisierten Ultraschallprüfung entwickelt und in Betrieb genommen, die gleich in mehreren verschiedenen Aspekten dieser Thematik Rechnung trägt:

  • Durchschallung und mehrkanalig Impuls-Echo für Porositätsmessung,
  • Prüfprogramm aus CATIA, Teachen optional
  • Darstellung und Auswertung in 3D
  • Fehlerechos, RWE-Schwächung, Dicken, Tiefen
  • Volle A-Bild-Auswertung
  • Vollautomatisierter Ablauf mit Systemwechsel

Die wichtigsten, teilweise erstmals in einer Utraschallprüfanlage realisierten Merkmale werden im folgenden beschrieben.

Prüftechnik

Bei der Prüfung von CFK-Hubschrauberkomponenten kommen je nach Materialaufbau verschiedene Einschallungs- und Koppeltechniken zum Einsatz.

Durchschallung
In Bereichen mit Sandwich - Aufbau, d. h. einem Wabenkern mit CFK-Decklagen - ist heute die Durchschallungstechnik mit Freistrahldüsen (Squirtern) üblich. Der Signal-Stör-Abstand ist gegenüber anderen Prüftechniken zwar reduziert und es wird keine Tiefeninformation geliefert (Fehlerlage oder Bauteildicke), aber Fertigungsfehler von 100 mm2 und weniger können sicher nachgewiesen werden.

Die Anforderungen an die Manipulatormechanik sind bei der Squirterprüfung relativ hoch, da hier zwei Wasserdüsen auf gegenüberliegenden Seiten des Bauteils mit hoher Genauigkeit koaxial geführt werden müssen. Der Überlappungsfehler der beiden Squirterdüsen sollte 0,5 mm nicht überschreiten.

Die Bewertung von Porosität ist mit Durchschallungstechnik nur sehr eingeschränkt möglich und nicht Stand der Technik.

Impuls-Echo
Bei Voll-Laminaten kann neben der Durchschallung auch in Impuls-Echo-Technik geprüft werden. Im vorliegenden Fall wird in Kontakttechnik angekoppelt. Hier ist das Signal sehr viel besser und es liefert Fehlertiefe bzw. Wandstärke gleich mit.

Die automatisierte Impuls-Echo-Kontakttechnik entspricht in Empfindlichkeit und Nachweisvermögen etwa der Handprüfung. Ein Fehlernachweis ist ab KSR 3 möglich (wenn die Gefügeanzeigen das zulassen). Mit den gewonnenen Daten ist eine Bewertung des Porositätsgehaltes möglich und entspricht den derzeit gebräuchlichen Verfahrensanweisungen.

Um eine möglichst hohe Prüfgeschwindigkeit zu erreichen, kann die Anlage in Impuls-Echo mehrkanalig parallel prüfen. Systeme mit 1, 2, 4 und 8 Kanälen stehen zur Verfügung.

Roboter

Die Mechaniken bisheriger Ultraschallprüfanlagen werden auf der Basis von Linearführungen aufgebaut, die ein cartesisches Koordinatensystem darstellen. Die eigentlichen Sensoren befinden sich - oft dreh- und schwenkbar - an langen Rohren, die je nach Layout der Anlage und den Erfordernissen des Bauteilspektrums vertikal hängend oder horizontal kragend ausgeführt werden können.

Mit beiden Varianten wird ein gewisses Spektrum von Geometrien möglicher Prüfteile abgedeckt, aber für jeden Anlagentyp gelten viele der für den anderen Typ geeigneten Teile als unprüfbar. Der Anwender hat so mit der Festlegung für einen bestimmten Mechaniktyp schwerwiegende Einschränkungen über zukünftig erforderliche Prüfanforderungen in Kauf zu nehmen.

Zweiachsig gekrümmte Teile sind von beiden Anlagentypen in der Regel nur eingeschränkt prüfbar, stark gekrümmte Bauteile sind oft überhaupt unprüfbar.

Als Lösung bietet sich hier der Einsatz von Knickarmrobotern an. Diese Handhabungsgeräte sind optimal zur beliebigen, schnellen und reproduzierbaren Manipulation von Werkzeugen geeignet und ausgelegt. Sie gewährleisten maximale Flexibilität in der Werkzeughandhabung bei gleichzeitig hoher Kosteneffizienz und besitzen exzellente Eigenschaften hinsichtlich dynamischer Steifigkeit und Reproduzierbarkeit.

Das Hauptproblem dabei ist jedoch, dass Roboter im Normalfall nicht dafür ausgelegt sind, dass zwei Systeme mit hoher Genauigkeit synchron arbeiten. Nach längeren Entwicklungsarbeiten wurde dennoch ein Weg gefunden, diese Synchronität herzustellen.

Mit Hilfe einer Machbarkeitsstudie wurde der Nachweis dieser Synchronität mithilfe eines 3D-Lasermeßsystems erbracht, siehe Bild 2.


Bild 2: Synchronität - Gemessen mit 3D-Lasermeßsystem

Der große Vorteil beim Einsatz von Knickarmrobotern ist, dass es für diese Geräte umfangreiche Softwaretools zur Selbstkalibrierung, Raumsteuerung, Koordinatentransformation und vieles mehr gibt, und durch deren zahlreichen Einsatz in verschiedensten industriellen Applikationen für praktisch jede Fragestellung ausgearbeitete Lösungen bereits vorliegen.

CATIA-Anbindung

Aufgrund der Komplexität des Bauteilspektrums und der Forderung nach verzerrungs- und fehlerfreier erfassungs- und Darstellungstreue war die Definition der Fahrprogramme aus Teachdaten, wie dies in konventionellen Anlagen üblich ist, in Hinblick auf Genauigkeit und Zeitaufwand nicht akzeptabel.

Daher wurde ein Dateninterface erstellt, das die Programmierung der Prüfanlage aus dem CAD-System von Eurocopter heraus ermöglicht. Am CAD-System wird der Prüfplan festgelegt, die Aufteilung in Prüfabschnitte vorgenommen und alle für die Prüfung relevanten Scanparameter editiert.

So ist auch eine eindeutige und klar definierte US-Prüfung als ein integrierter Bestandteil des gesamten, QM-gesicherten Fertigungsablaufes im Herstellerwerk gewährleistet.


Bild 3: CAD-basierte Messung und Darstellung

Automatisierter Prüfsystemwechsel

Die Anlage soll diverse Bauteile mit allen zur Verfügung stehenden Techniken prüfen können, vor allem die großflächigen, ebenen Bereiche aus Vollaminat 8-kanalig parallel, stärker gekrümmte Geometrien mit einer reduzierten, den Erfordernissen angepassten Prüfkopfzahl, und Sandwich-Bereiche in einkanaliger Durchschallung.

Um diese Prüftechniken in einen voll automatisierten Prüfablauf einzubinden, der keine Bedienerintervention benötigt, wurde ein vollautomatisch arbeitendes Werkzeugwechselsystem entwickelt, das der Anlage gestattet, während eines Prüfablaufs beliebig zwischen den Prüfsystemen zu wechseln.

3D-Auswertung

In Anbetracht der sehr komplexen Geometrie der Bauteile war klar, dass der Einsatz einer zweidimensional arbeitenden Auswerte-Software zu unakzeptablen Verzerrungen in der Darstellung führen und die unvermeidlichen Probleme aus der Projektion dreidimensionaler Daten zu erheblichen Meßfehlern und Fehlbewertungen führen müßten.


Bild 4: Stufenkeil mit oberflächennahen und rückwandnahen Testfehlern. Gut erkennbar ist auch die Erfassung der Zwischenlagenechos und die Rückwandabschattung

Es wurde deshalb eine völlig neue, vollständig dreidimensional arbeitende Software zur Datenablage, Datenpräsentation und Datenauswertung entwickelt, die allen Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit, Geschwindigkeit, Einfachheit und Dokumentation gerecht wird. Sie behandelt die angezeigte Darstellung und Auswertung aller US-Daten verzerrungsfrei als echte dreidimensionale Objekte, mit vielen Werkzeugen der Visualisierung und Bewertung aus dem Fundus der fortgeschrittenen, kommerziellen 3D-Volumengrafik.

Dabei werden die US-Daten gemeinsam mit den Geometriedaten des Bauteils in den Raum projiziert, so dass die geometrische Zuordnung der Prüfdaten zu den Bauteilzonen jederzeit intuitiv möglich ist.

Blendenlose Datenaufnahme

Als Ultraschallgerät kommt das SAPHIRPlus aus dem Hause intelligeNDT zum Einsatz, das mit 16 Kanälen für konventionelle Prüfköpfe bestückt ist. Eine Erweiterung auf weitere Prüfkanäle und / oder Gruppenstrahlertechnik ist optional jederzeit möglich.

Für die CFK-Prüfung in Impuls-Echo-Technik ist besonders hilfreich, dass das Gerät mit einer auf dem vollen A-Bild beruhenden Auswertung und Erfassung arbeitet, und nicht mit der in den üblichen US-Geräten implementierten Blendentechnik, die den Anwender zwingt, innerhalb vordefinierter Zeitbereiche eine oder mehrere Amplituden- und Laufzeitmessungen auszuführen.


Bild 5: Stufenkeil: oberflächennahe und rückwandnahe Fehler, Zwischenechos ausgeblendet. Links unten ein vergrößerter Ausschnitt der Rückwand mit RW-nahem Fehler und Abschattung

Das Problem hierbei ist nämlich, dass aufgrund der recht starken Fluktuationen in der Wandstärke und der Schallgeschwindigkeit des geprüften Materials eine Setzung von Blenden zur Echoaufzeichnung von Fehlern und Rückwänden im rückwand- und oberflächennahen Bereich zu Zonen minderer Prüfgüte führt. Auch eine dynamisierte Blendenführung hilft hier nicht weiter, da kein Algorithmus in der Lage ist, zwischen gewollter und ungewollter Laufzeitschwankung zu unterscheiden. Dies wäre aber dafür genau erforderlich, da eben Fehler und Rückwände durchaus zu gleichen Laufzeiten und mit gleichen Nachbarschaftskriterien auftreten können.

Im Gegensatz dazu wird im SAPHIRPlus das gesamte A-Bild digitalisiert und alle relevanten Echoamplituden aufgezeichnet. So stehen auch nach der Messung alle Daten zur Verfügung, und können softwaremäßig nach einer Vielzahl von intelligenten Algorithmen zur Anzeige gebracht bzw. unterdrückt werden.

Auf diese Weise ist es möglich, alle in einem A-Bild vorhandene Information in eine Reihe von verschiedenen C- und D-Bildern einfließen zu lassen, deren Auswertung insgesamt erst eine vollständige Einschätzung des Materialzustandes eines Bauteils ermöglicht.


Bild 6: C- und D-Bild eines Stufenkeils mit Testfehlern und Zonen erhöhter Porosität

Ausblick

Nach Gewinnung erster Einsatzerfahrungen ist angedacht, die Anlage mit folgenden weiteren leistungssteigerndern Merkmalen auszustatten:

  • Automatisierte Porositätsbewertung aus Impuls-Echo- und Durchschallungsmessungen
  • Automatisierung des Fehlererkennungsprozesses mit Auswertung der A-Bild-Information

Eine ausführlichere Präsentation der Ergebnisse wird ab ca. Mitte August 2004 auf unserer homepage zur Verfügung stehen: www://intelligeNDT.de

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net