Defekt selektierende zfP-Methoden an FaserverbundbauteilenMünchen 10. April 2008. Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum Folie 2 Übersicht 1. Einleitung 2. Defekte an Faserverbundbauteilen

Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum

Defekt selektierende zfP-Methodenan Faserverbundbauteilen

Rodolfo M. Aoki

DLR Institut für Bauweisen und Konstruktionsforschung

Pfaffenwaldring 38-40, 70569 Stuttgart, Germany

VDI-Expertenforum: Moderne Schadensanalyse mit Neutronenstrahlen

VDI-Gesellschaft Werkstofftechnik und Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRMII)

München 10. April 2008


Folie 2

ÜÜbersichtbersicht

1. Einleitung

2. Defekte an FaserverbundbauteilenÜbersicht verschiedener Fehler bei CFK (CarbonfaserverstärkteKunststoffe) und CMC (Keramik Matrix Composites)Angewandte zfP Methoden

3. Fertigungsfehler und Schädigungsentwicklung unterstatischer und dynamischer Belastung an FaserverbundbauteilenBeispiele

4. Zusammenfassung


Folie 3

Hintergrund


Folie 4

Relevanz von zfP für Faserverbundstrukturen

zfPQualität, Defekte

zfPQualität, Defekte

BelastungThermo-mechanicanisch

BelastungThermo-mechanicanisch

ZuverlässigkeitLebensdauervorhersageZuverlässigkeit

Lebensdauervorhersage

HerstellungProzessverbesserung

HerstellungProzessverbesserung

SimulationFEM, Analyse

SimulationFEM, Analyse

LastkollektivThermo-mechanisch

LastkollektivThermo-mechanisch

KorrelationVersuch Simulation

KorrelationVersuch Simulation

SchädigungResttragfähigkeitSchädigung

Resttragfähigkeit

FVWC/C-SiC

CFKSandwich


Folie 5

NDI Methods for Different Fiber Reinforced MaterialsDFG Collaborative Research Project SFB 381

X- ray

(Projection, Refraction, CT)Laser-Scanning

Microscopy/PhotoelasticityStrain Measurements

(Photogrammetry, ESPI, Laser Extensometer )

Materials

Glasfiber/Thermoplastic

CFRP Wood Steelfiber/Concrete

C/C-SiC Cellulose-Gipsum

Electromagnetic Methods(Microwaves, eddy current,

Potential Sensor)

Sound waves (AE, Puls-Echo, Air coupled, Lamb-

Waves, non-linear)

Vibrometry (imaging, linear, non-linear, damage-selective)

Thermography (Puls-Phase, light- or ultrasonic excited)N

DI M

etho

ds

GFRP


Folie 6

Principle and set-up of Optical Lockin Thermography (LT)

Section of CF-PEEK rudder

Increase depth range 2x requires reduction f of 4

• Rapid, cost effective inspections,• increased range of inspectable materials• Larger inspected areas

μ = √ π fα______

μ thermal diffusion length

α thermal diffusivity

f frequency

modulated halogen lamps illuminate the sample

periodically response to this excitation observed with a thermographiccamera

Fourier analysis of signal to get amplitude & phase picture

CEDIP JADE III LWIR Infrarot-CameraFocal Plane Array Detect.320*240 LWIR MCT Spectral Sensitivity: 7.7-9.3µmStirling coolingTherm. sensitivity.: 35mK


Folie 7

US & LT: Impact geschädigte CFK Platten

[0/45/90]s [0/90]s Gewebe

US-Impuls-echo

LockinThermog.


Folie 8


Folie 9


Folie 10

Mesolocal

Macroglobal

X-ray

US C-scan Lockin Therm.US A-scan

Ceramic Matrix Composites

CFRP

C/C-SiC

C/C

PhotoX-38


Folie 11

DLR Gas DLR Gas gungun laboratorylaboratory forfor HVI (High Velocity HVI (High Velocity Impact)Impact)--TestsTests

Set-up for impact test on fuselage shell

Lab equipped with 3 gas guns and steeltarget chamber (3m x 2.5m x 2.5 m)

HVI-spectrum: From bird strike and tirefragments to hailstones and FOD (Foreign ObjectDamage) on aircraft and aeroengine structures200 mm calibre, 12 m long: - Projectiles up to 2 kg mass and 250 m/s, - Structure size, up to 2m

60 mm calibre, 5 m long:- Projectiles to 0.2 kg mass and 250 m/s

32/25 mm calibre, 2.5 m long:- Projectiles to 0.05 kg mass and 300 m/sEvaluation of structural damage- HS digital camera, dynamic load and strain

measurements, US-C Scan, lockin thermography, X-ray with computer tomography CT


Folie 12

Eiskugel Impact

X-rayPhotronFastcamp APXRS228000fps1/28000 sec

Sandwichstruktur:Faltwaben mit CFK Deckschichten


Folie 13

LockinThermographyfront side0.03 Hz

LockinThermographyrear side0.03 Hz

US C-scan (Air coupled)

X-ray

NDI: NDI: GeschGeschäädigtedigte FaltwabenFaltwaben--SandwichplatteSandwichplatte

Impact damage: 0.03 kg glass ball, 78 m/s


Folie 14

Impact Geschw.

3 69.1

5 75

6 99.9

7 100

Lockin Thermog. US-Wasser Durchschallung

CfK Stringerversteifte Paneele

vorne

hinten

Fotografie


Folie 15

VARI (Vacuum Assist. Resin Infusion) Manufacturing Process NC- Laminates

L. Chatzigeorgiou

Phasenbild bei 0,06 Hz

•Reflexionsanordnung

Phasenbild bei 0,06 Hz

•Transmissionsanordnung


Folie 16

US A-scan Signal an verschiedenen StellenUltrasonic C-scans

low

high

CFK

C/C-SiCsiliziert

C/C-SiCentsiliziert

Herstellung C/C-SiC Platten


Folie 17

US C-scan

SFB 381 Universität Stuttgart

Einstufige Klebeverbindung : Fatigue Test (R=0.1)

0 4 105 17 106

CFK

C/C-SiC

0 1.5 105 5.7 106

100x

35x

150x

CfK C/C-SiC

CfK

C/C-SiC


Folie 18

NDI Correlations: non homogeneous C/C-SiC

X-ray Lockin Thermography

Photo

rear

front

Impactspheric10J

e‘=4.49%

e‘=3.55%

e‘=17%

0

100

200

300

0 2 4 6 8

thickness mm

US-

ampl

itude

c33 =40 GPa

c33 =100 GPa

050

100150200250300

0 2 4 6 8

thickness mm

US-

ampl

itude

US A-scan Ultrasound C-scan


Folie 19

CFRP Non crimp laminate [0/45/90]s CAI(Compression After Impact) tests

LT US C-scan0.00E+00

1.00E+04

2.00E+04

3.00E+04

4.00E+04

-150 -100 -50 0

Stress [MPa]

Sum

mco

unt

Displ. Z (16000 LW)

AE

USC-scan


Folie 20

Impact Damaged CFRP Sandwich (Fold Core) CT- Views


Folie 21

Non crimp laminate: Compression fatigue loadingstrain distribution

Non crimp laminateCAI fatigue30J impact60kN

20000 Load Cycles

1000 Load Cycles

40 kN stat.


Folie 22

US C-scan u. CT Aufn. impactbeschädigter Paneele

1 2 3 5

CT Aufnahmen nach Bruch 6900 Zyklen

N = 0 N = 6000 cycles N = 6889 cycles

1 2 3 5

CT

X-Y Ebene

Y-Z Ebene


Folie 23

Al

CFK

US Impuls-Echo2.25 MHz; 75 dB

Al

CFK

US DurchschallungUS Durchschallung2.25 MHz; 31 dB

Umfang

X: Umfang der Welle

US-CfK WelleUS Impuls-Echo


Folie 24

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Dl25

l180ml150mm

l120mml90mm

l70mml50mm

Dicke [mm]

US A-scanüber die Dickebei 270°

US

Am

plitu

de

Dicke

CFK

Al

0°

90°

180°

270°

Axialer Abstand5 mm 250 mm

US-CfK Welle


Folie 25

CT-CfK Welle


Folie 26


Folie 27

GFRP Tubes – Fatigue Shear Loading

LW: 38.787

20.7

23.4

°C44

18

26.1

28.8

31.5

34.2

37.0

39.7

1

1000

2000

2500

+160Nm

0.20°

0.30°cycles

Opt. Strain measurements

• 3D deformation measurementof an object surface

• Optical field method comb. w. • Object grating• Remote sensing

Lockin Thermography


Folie 28

http://compositesdesign.stanford.edu


Folie 29

ZusammenfassungZusammenfassung

US, Thermografie, Röntgen und Computer Tomografie sind Defektselektierende, notwendige zerstörungsfreie Verfahren zur Ermittlung von Schädigungszuständen an Faserverbundwerkstoffen in situ, beim Service, sowie bei Komponenten oder Strukturelementen.

Synergieeffekte werden durch Kombination verschiedener NDT Methoden erzielt. CT Untersuchungen ermöglichen 3-D detaillierte Strukturinformationen.

Zum besseren Verständnis von Schädigungsmechanismen bei Faserverbundstrukturen sind Simulationsmodelle, die die Anisotropie der Werkstoffe berücksichtigen, erforderlich.

Neutronenstrahlbasierte Prüfverfahren werden die Einsatzbandbreite derzfP wesentlich erweitern.


Vielen Dank

für Ihre Aufmerksamkeit

Defekt selektierende zfP-Methoden �an Faserverbundbauteilen �Rodolfo M. Aoki� DLR Institut für Bauweisen und KonsÜbersichtRelevanz von zfP für Faserverbundstrukturen�Principle and set-up of Optical Lockin Thermography (LT)GFRP Tubes – Fatigue Shear Loading�ZusammenfassungVielen Dank�für Ihre Aufmerksamkeit

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Defekt selektierende zfP-Methoden an FaserverbundbauteilenMünchen 10. April 2008. Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum Folie 2 Übersicht 1. Einleitung 2. Defekte an Faserverbundbauteilen