Zerstörungsfreies Prüfen

Mehr denn je ist die Erforschung zerstörungsfreier Prüfverfahren für neue Anwendungsbereiche von Bedeutung. Im Schienenfahrzeugbau steigt der Anteil von Faserverbundstoffen und Klebverbindungen (z.B. Scheiben) immer mehr. Für die nicht-destruktive Überprüfung dieser Anschlüsse gibt es in der Praxis bisher keine praktikable Ausgestaltung. Zusammen mit Kreativschaffenden aus Wirtschaft, Forschung und Start-up-Unternehmen haben wir eine passende Gesamtlösung gefunden:

Die Konzeption der Anlagen basiert auf einem Testverfahren, das bereits in gleicher Form in der Luft- und Raumfahrt und an Rotoren von Windenergieanlagen zum Einsatz kommt. Diese Prüfmethode wurde auf die in Schienenfahrzeugen üblichen Faserverbundwerkstoffe angewendet. Mit diesem Testverfahren sind die Autos wieder schnell einsatzbereit, da Stillstandszeiten durch unerwartete sowie überflüssige oder vorbeugende Reparaturmaßnahmen verhindert werden.

Zugleich reduziert der Prozess den Materialeinsatz und erhöht die Planbarkeit von Instandsetzungsmaßnahmen. Wir können mit unseren beweglichen Prüfmitteln das neue Testverfahren auch in Ihren Anlagen vor Ort durchlaufen. Erläuterung der Begriffe: Faserverbundwerkstoffe sind Mischmaterialien, die aus zwei oder mehreren Bauteilen bestehen und in Schichten aufgeteilt sind. Die Besonderheit dabei ist, dass die Bauteile durch Interaktionen gewisse Eigenschaftsprofile entfalten, die eine einzelne Substanz nicht hat.

Als Beispiel für Faserverbundwerkstoffe dient der glasfaserverstärkte Verbund.

Hauptreferat: Nicht-destruktive Prüfungen an nichtmetallischen Werkstoffen: Neuentwicklungen

Sie haben im Gegensatz zu Metall eine geringere Atomzahl und - wenn es sich um Polymermaterialien handele - auch größere thermische Verluste. Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) werden oft als Laminat verwendet (Abbildung 3), insbesondere in Konstruktionen (einschließlich großer Bauteile), die leicht und stabil sein müssen. Durch integrierte Aktoren können die geometrischen oder mechnischen Gegebenheiten solcher Komponenten beeinflusst werden ("adaptive Strukturen" oder "intelligente Strukturen").

Die folgenden Vorgehensweisen werden in diversen Fachvorträgen auf dieser Konferenz vorgestellt: Maschinelle spektroskopische Untersuchungen. Es können nicht alle Methoden im Kontext dieser Vorlesung bearbeitet werden, es wäre auch nicht zweckmäßig, andere Vorträge vorwegzunehmen, z.B. den Vorlesung von Dr. Hentschel (BAM Berlin) über die Einsatzmöglichkeiten der Röntgenrefraktometrie oder den Vorlesung von Dr. Mook über wirbelstromähnliche Anwendungen an Verbunden.

Die folgenden Vorgehensweisen und Anwendungsfälle (Tabelle 1) werden hier selektiv behandelt: Tab. 1: NDT-Methoden und Applikationsbeispiele dieses Themas. Wofür stehen die Fotos? Das farbenfrohe Bild der Thermographie ist aus unterschiedlichen Anwendungsgebieten (z.B. Bau und Medizin) bekannt. Das Fehlinterpretieren von Bauwerken kann sich auszahlen. Letzteres ("Lockin-Thermografie"[2-5]) hat den Vorzug, dass es potenziell schädliche Stromspitzen verhindert.

Lockin-Thermographie (Abbildung 4) reagiert nur auf Temperaturänderungen durch regelmäßige Ausleuchtung - konstante Temperaturwerte werden ausgelassen. Somit wird die Sequenzinformation zu zwei Aufnahmen der örtlichen Fourier-Komponente zusammengefasst - dem amplitudenhaften Bild (das die Größe der örtlichen Wärmemodulation darstellt) und dem Phasenzeichen. Letztere stellt die Zeitverzögerung ( "normiert auf die Periodendauer des Modulationsverfahrens ") zwischen der lichttechnischen Ausleuchtung und der örtlichen Wärmeabgabe, d. h. der Wärmefeldmodulation dar.

Die Phasenabbildung zeigt die hinter der CFK-Außenhaut versteckten Rahmen und Maschen. Im Juli um 12 Uhr stimmt die Lichtintensität der Lichttechnik ungefähr mit der der Sonneneinstrahlung überein, sie ist also "zerstörungsfrei". Bild 4: Prinzipzeichnung der Lockin-Thermografie[6]. Bild 5: Berührungsloses, zerstörungsfreies Prüfen eines Verkehrsflugzeugs (Do 328) mit Lockin-Thermografie: Phasengleichbild der Rahmen (rote Linien) und Stringers (gelbe Linien) im CFK-Leitwerk.

Wofür stehen diese Fotos? Derartige Aufnahmen stellen so lebhaft "thermische Widerhall von verborgenen Strukturen" dar, bei denen das Breitenbild die Intensität des Widerhalles und das Phasengrafikbild die Dicke der Begrenzungsfläche anzeigt. Somit eignet sich die optische Erzeugung von Wärmewellen auch zur kontaktlosen Vermessung oder Darstellung von Lackschichtdicken und lokaler Lackhaftung[7]. Bild 6: Tiefenbereich von Amplitude und Phasenbild[9].

Aufgrund der hohen Bedämpfung der Wärmewellen wird der Tiefenbereich durch die "thermische Penetrationstiefe m"[8] bestimmt, worin der Wert für den Tiefenbereich ist. Die Lehrveranstaltung "Einfluss der Fehlertiefe auf Schwingung und Phase" (Abbildung 6)[9]. wird letztendlich durch Störungen der Wärmewellen induziert. Für eine bessere Verständlichkeit der Messergebnisse werden verschiedene Methoden auf die gleiche Stichprobe angewandt, ein CFK-Laminat mit Schlag und Ablösungen in verschiedenen Schichttiefen.

Bild 7 stellt die Messresultate auf Vorder- und Rückseiten der Proben mit dieser optoangeregten Lockin-Thermographie (OLT) dar Die mit den verschiedenen NDT-Verfahren erhaltenen Aufnahmen sind in Abschnitt 5 zusammengefasst. Anschließend werden nur noch diese Bauteile im Amplitudenbild, während das Phasenzeichen die Höhe angibt, in der sie sich wiederfinden. Bei hochfrequenten Oszillationen wird in Figur 8 mehr Oberfläche pro Sek. generiert, d.h. mehr Heizen.

Bei modulierter Ultraschalleistung ("Lock-in-Thermographie", ULT, Bild 9) werden die Defekte pulsierend und durch Fourier-Analyse bei dieser Häufigkeit identifizier. Besonders deutlich zeigt sich der Unterscheid zwischen OLT und ULT im Beispiel (Abbildung 10): In einem Falle werden alle Schnittstellen der Konstruktion einschließlich der unversehrten gemappt, im anderen Falle nahezu nur diejenigen, die unter schwingender Last Hitze entwickeln.

Das ULT stellt somit die lokale Schaltdifferenz dar, während das Phasenzeichen zudem die Tiefenlage der Position mit der vergrößerten Schaltdifferenz wiedergibt. Es ist interessant, dass Aufprallschäden auf der Aufprallseite mit ULT viel besser erfasst werden als mit OLT (Abbildung 11). Das Ablösen von Längsträgern ist bei OLT an der Strukturunterbrechung zu erkennen - bei OLT dagegen an der Beleuchtung des beschädigten Bereichs (Abbildung 12).

Drei: Drei fehlerselektive Verfahren: Bild 13: Weiteres Fehlerselektionsverfahren: Figur 14 zeigt eine Proben, die einer Sinuselastischen Wellen ausgesetzt ist, auch in diesem Falle nicht resonant, so dass sich bei stehenden Wellen keine Äste auftun. Danach verschieben sich alle Positionen des Samples nur noch mit dieser Häufigkeit.

Bei nichtlinearen Übertragungsfunktionen kommt es jedoch zu Oberschwingungen[24-26], z.B. bei lockeren Schnittstellen wird die halbe Sinuskurve geschnitten, da nur Anpressdruck und keine Spannung übertragen werden ("mechanische Gleichrichtung"). Die Oberschwingungen werden mit einem Abtastvibrometer kontaktlos erfasst und in farbige Werte umgewandelt, die solche Orte kennzeichnen, z.B. den Haftungsfehler im Stellgliedbereich einer anpassungsfähigen Konstruktion.

Dabei wird die Körperschallentspannung nicht von aussen eingebracht, sondern das Stellglied wird mit einer höheren Frequenzen (50 kHz) zur Erzeugung der Ultraschallwellen angesteuert (Bild 15). Dadurch wird ein Eigentest der anpassungsfähigen Strukturen möglich - eine praktische Ausweg. Mit der Fundamentalwelle oszilliert die gesamte Abtastung, aber nur der Raum mit geringer Aktorhaftung generiert Oberschwingungen und kann von ihnen markiert werden.

Diese Bildgebung basiert auf der Tatsache, dass die Oberschwingungen kaum vom Fehler nach aussen fortschreiten. Die Methode ist dann für die integrale Fehleraufzeichnung geeignet: Ohne Abschirmung ist es möglich zu erkennen, dass Harmonische an einer Stelle im Bauelement erzeugt werden, d.h. dass ein Fehler vorliegt. Je nach Häufigkeit kann daher das gleiche Vorgehen ganzheitlich oder bildgebend angewendet werden.

4. Korrelationsvibrometer zur Schadensdetektion in anpassungsfähigen Anordnungen. Die oben genannte Applikation als ganzheitliche Methode führt zu einer thematischen Annäherung an die klassische Vibrometrie[28-30]. Dies kann auch an anpassungsfähigen Konstruktionen mit den integrierten Stellgliedern durchgeführt werden. Dies zeigt das Beispiel eines Aufprallschadens in einer anpassungsfähigen CFK-Struktur (Abb. 16): Abb. 16: Mechanische Spektroskopie: Integral correlation vibrometry for the detection of cumulative damage, dies wird mit dem internen Stellglied[33] in dielektrischer Weise vermessen.

Im Anschluss an die Testreihe bei Auswirkung 1 wurde eine zweite Stoßmessung (Auswirkung 2) unter Verwendung des letzten Spektrums der Serie 1 als Referenzmethode vorgenommen. Die Vorgehensweise sollte für einen sicheren und unkomplizierten Eigenversuch von adaptiven Konstruktionen geeignet sein, einschließlich der Identifizierung kritischer Änderungen nach einem gegebenen Zeitrahmen. Nach der Präsentation des ZFP bei einer aktuellen Versuchsaufgabe geht es nun um ein modernes Material: C/SiC wird aus CFK durch eine Pyrolyse der Polymer-Matrix und anschließende Siloisierung des Kohlefaserskeletts bei hohen Temperaturen hergestellt, so dass Flüssigsilizium an den Schnittstellen zu SiC penetriert und dominiert.

Dieses Verbundmaterial wird beispielsweise für Hochleistungs-Bremsscheiben und für die Bugkappe des X-38 (Rettungsraketen für Astronauten) eingesetzt (Abbildung 17). In einer Stichprobe wurden die Resultate von drei NDT-Methoden miteinander kombiniert (Abbildung 18). Die rechte Grafik stellt die Stellen dar, an denen die Grenzflächen aneinander rütteln. In den drei Bildern sieht es anders aus, weil sie die verschiedenen physikalischen Eigenschaften des gleichen Defekts einfangen.

Seit langem ist die nichtzerstörerische Prüfung von Materialien und Komponenten mit Hilfe des Ultraschalls weit verbreitet. Durch diesen mechanischen Berührung ist die Messmethode eingeschränkt, da z.B. wässrige Materialien gewechselt werden können. Deshalb gibt es ein großes Anwenderinteresse an kontaktlosen (d.h. luftgekoppelten) Ultraschallprüfungen (Abbildung 19). Der ungünstige Kontaktpunkt in dieser mehrere cm starken Proben ist deutlich sichtbar (Abbildung 20).

Darüber hinaus wurden an den vorstehend genannten anpassungsfähigen Konstruktionen Messmethoden zum Auffinden und Charakterisieren von Frakturen in den Stellgliedern durchlaufen. Bei der Getriebemessung mit Luftsonographie wird die Position des Stellglieds angezeigt (Abbildung 21, links). Wird das Stellglied aufgrund der oben genannten Arbeiten als Sendegerät für Luftsonographie eingesetzt und die Proben mit dem Ultraschall-Empfänger abgeschirmt (Messungen dieser Art wurden zunächst von Dr. Mook in Magdeburg mit einem wassergekoppelten Ultraschall[35] durchgeführt), können die noch unversehrten Stellen identifiziert werden.