Kohlefaserverbundwerkstoffen mittels wirbelstrom- und ... · © Fraunhofer IZFP-D No. 3 1 CFK Strukturen in Luft- und Raumfahrt / Automobilbau 1.1 typische Defekte Klebe- und Nietverbindungen

© Fraunhofer IZFP-D

Dipl.-Ing. (BA) Martin Schulze

[email protected].: +49 351 26482-40

Dipl.-Ing. Sabine Goldbach

[email protected].: +49 351 8837-2276

* IMA Dresden, Wilhelmine-Reichard-Ring 4, 01109 Dresden** Fraunhofer IZFP, Maria-Reiche-Str. 2, 01109 Dresden

M. Schulze**, S. Goldbach*, H. Heuer**, N. Meyendorf**

Ein Methodenvergleich Ein Methodenvergleich ––ZfPZfP an Kohlefaserverbundwerkstoffen mittels an Kohlefaserverbundwerkstoffen mittels

wirbelstromwirbelstrom-- und ultraschallbasierender Prund ultraschallbasierender Prüüfverfahrenfverfahren

© Fraunhofer IZFP-D No. 2

InhaltInhalt

1 CFK Strukturen in Luft- und Raumfahrt / Automobilbau 1.1 typische Defekte

1.2 Materialeigenschaften von Kohlefaserverbundwerkstoffen

2 Prüfequipment / Herausforderungen an das Prüfproblem 2.1 Ultraschall

2.2 Wirbelstrom

3 Messergebnisse3.1 Ultraschall

3.2 Wirbelstrom

3.3 Vergleich UT / ET

4 Resümee und Ausblick


1 CFK Strukturen in Luft1 CFK Strukturen in Luft-- und Raumfahrt / Automobilbau und Raumfahrt / Automobilbau 1.1 typische Defekte1.1 typische Defekte

Klebe- und Nietverbindungen zw. verschiedenen Komponenten

Delaminationen / Debonding

Impacts (Vogelschlag etc.) auf Rumpf

Alterung (UV-Strahlung etc.)

Stru

ktur

Quelle:Premium Aerotec Augsburg

Airbus A350 XWB

Quelle:BMW-Press

Kom

pone

nte [a] Fehlstelle in Stringerver-

bindungen aufgrund von Fertigungstoleranzen

[b] interlaminarer Faserbruch

[c] makroskopischer Bruch u.a.

[a] [b] [c]

Roh

gele

ge

Hauptaugenmerk auf innen-liegende Fehler

[d] fehlende Bündel

[f] Aufschiebungen

[g] Auffransungen u.a.

[d] [e] [f]

Quelle: IMA Dresden Quelle: IMA Dresden Quelle: IMA Dresden

Quelle: FhG IZFP-D Quelle: FhG IZFP-D Quelle: FhG IZFP-D


1 1 CFK CFK StrukturenStrukturen in in LuftLuft-- und und RaumfahrtRaumfahrt / / AutomobilbauAutomobilbau1.1 1.1 typischetypische DefekteDefekte

Je eher ein Fehler im Fertigungsprozess entdeckt wird, desto geringer ist der Verlust in der Wertschöpfungskette

Die Nachverfolgbarkeit vom Produktionsprozess hin zum Endbauteil ermöglicht die Beurteilung von Schadensbildern und deren Herkunft

Fehler, welche im Produktionsprozess vermieden werden können, garantieren die Bauteillebensdauer

Turnusmäßige Inspektion ist dennoch unerlässlich, da vorgeschriebene Inspektionsintervalle in der Luftfahrt vorgeschrieben sind (Automobilbau?!)

Unterscheidung in Fertigungsfehler und den daraus resultierenden Betriebsschädigungen

Poren (Volumen); Rillen (Oberfläche)

Dickenmaß abweichend bzw. schwankend

Harzverarmung; Harzansammlungen

Fuzzy Balls; Filamentquerung

Fehlerhafte Lagenpositionierung

Aufschiebungen; Ausfransungen

Folienfehler; Gassenbildung

Winkelfehler; Ondulationen

Fertigungsfehler (Gelege, RTM, CFRP)

UTUT--InspektionInspektion ist bereits DeDe--factofacto--StandardStandard für die Luftfahrtinspektion Luftfahrtinspektion

ETET--basierendes basierendes ZfPZfP--VerfahrenVerfahren einsetzbar für die ProduktionsProduktionsüüberwachungberwachung?

Debonding

Bruch / Riss im Bauteil

Delaminationen (Oberfläche, Volumen)

Betriebsschädigungen (Laminat, Struktur)


1 1 CFK CFK StrukturenStrukturen in in LuftLuft-- und und RaumfahrtRaumfahrt / / AutomobilbauAutomobilbau1.2 1.2 MaterialeigenschaftenMaterialeigenschaften von von KohlefaserverbundwerkstoffenKohlefaserverbundwerkstoffen

90° layer

0° layer

-65° layer

-25° layer

Interlaminar resin

90° layer

0° layer

-65° layer

-25° layer

Interlaminar resin

Anisotropie durch Lagenaufbau (Beugung/Streuung UT)

Komplexe Geometrien (Sensoranpassung für UT und ET)

geringe elektrische Leitfähigkeit:σ = 3 · 106 S/m -> vgl. Aluminium: σ = 37,7 · 106 S/m

Richtungsabhängige Leitfähigkeitsverteilung LagenseparationLagenseparation mittels WirbelstromWirbelstrom

Messungen mit H2O-Ankopplung am Rohgelege mittelsUltraschall nicht möglich (ET – koppelmittelfrei)

UltraschallprUltraschallprüüfungfung für DelaminationenDelaminationen prädestiniert

Ref.: Zur Wirbelstromprüfung von kohlefaserverstärkten Kunststoffen, Dipl.-Ing. Rolf Lange, Magdeburg 1997

Possible eddy current paths

Coils equipotential lines

Ref.: Zur Wirbelstromprüfung von kohlefaserverstärkten Kunststoffen, Dipl.-Ing. Rolf Lange, Magdeburg 1997

Possible eddy current paths

Coils equipotential lines

Quelle: FhG IZFP-D

Quelle: Premium Aerotec


2 2 PrPrüüfequipmentfequipment / Herausforderungen an das Pr/ Herausforderungen an das Prüüfproblem fproblem 2.1 2.1 UltraschallUltraschall

PCUS pro Array US-Frontend

Automatisierter Ultraschallscanner

16 Elemente Matrix Array

GUI mit Postprocessing BV-Algorithmen für Kontakt- und Immersionstechnik

Quelle: FhG IZFP-D

Quelle: FhG IZFP-D

Quelle: FhG IZFP-D

Quelle: FhG IZFP-D



Prinzip UltraschallmikroskopPrinzip Tauchtechnik –

Doppeldurchschallung



Traditionelle Phased Array - Techniken

Schwenken Fokussieren Linear-Scan

Sampling Phased Array- Techniken

Volumendatensatz mit nachträglicher softwarebasierter Algorithmik (SAFT etc.) Quelle: FhG IZFP-D

Quelle: Olympus IMS


2 2 PrPrüüfequipmentfequipment / Herausforderungen an das Pr/ Herausforderungen an das Prüüfproblem fproblem 2.2 2.2 WirbelstromWirbelstrom

Prüfproblemangepasste SensorikHF-Wirbelstromgerät

Fraunhofer IZFP - EddyCus® MPECS CU

XYZ-Manipulator mit MesslaptopQuelle: FhG IZFP-D

Quelle: FhG IZFP-D


2 2 PrPrüüfequipmentfequipment / Herausforderungen an das Pr/ Herausforderungen an das Prüüfproblem fproblem 2.2 2.2 WirbelstromWirbelstrom

Sender Empfänger

1. Variation des S / E - Abstandes

2. Winkelorientierung des Sensors

Da Anisotropie vorliegt kann mittels Sensordrehung lagensensitiv gemessen werden

Sensorabstand: 3,5mm

Sensorwirkbreite: ≤1mm

Quelle: FhG IZFP-D

Quelle: FhG IZFP-D


3 Messergebnisse 3 Messergebnisse 3.1 3.1 UltraschallUltraschall

Quelle: Fachbericht von Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart, M. Sc. Claudia Ehinger, Dipl.-Ing. (FH) Gerhard StraßerAutomatisierungslösungen bei der Herstellung von Faserverbund-Preforms; mechatroniknews 12/2010

US

-Inspektion nach Laminieren



DelaminationLagentrennung wird über doppelt gelegte Folien erzeugt

Folienfehler bzw. FremdkörperEinfach gelegte Folien entstehen durch unsachgemäße Verarbeitung beim Legeprozess und beim Prepregverfahren

Meist komplett von Harz verdecktschwer zu detektieren, da keine

Schwächung des Rückwandechos

Doppelt gelegte Folien stellen keine realen Fehler dar, werden jedoch von Flugzeug-herstellern als Standardreflektor verwendet

US-C-ScanFehler

Nachweis in ebenen Platten ist sehr gut mittels Tauch- und Array-Technik möglich. In Strukturen mit Radien und Zwickeln kann nur mittels manueller Technik und mit Hilfsmitteln ein Nachweis erfolgen.

Einfach gelegte Folien Doppelt gelegte Folien

Phased Array (Olympus OmniScan)

Sensor: 128-elementiges Linienarray, 5MHz

Phased Array (Fraunhofer IZFP-D)


Tauchtechnik

Sensor: 0 °, Ø 5 mm, 5 MHz

Quelle: FhG IZFP-D

Quelle: IMA Dresden



optimiert 2mm

optimiert 6 mm

optimiert 4mm

optimiert 8 mm

© Fraunhofer

Delamination

Immersion Technique

Pulse – Echo Technique

64 Element Line Array

Sampling Phased Array Technique

Frequency: 5MHz

Shot distance: 1mm

Scan Duration: 4 Minutes



OndulationenEntstehen durch unsachgemäße Verarbeitung beim Legeprozess und/oder durch örtliche Druckunterschiede

Ondulationen in Beanspruchungsrichtung zeigen einen Abfall der maximal ertragbaren Kraft und Spannung um 30 %

US-C-ScanFehler

Tauchtechnik


Phased Array


Nachweis ist nicht trivial. Sehr starke Ondulationen in allen Richtungen und über mehrere Lagen können nachgewiesen werden, während Ondulationen in nur einer Lage oder auch sehr gleichmäßige Ondulationen schwer nachzuweisen sind.

Befinden sich Ondulationen jedoch in den äußeren Lagen, so sind sie visuell gut zu erkennen.

Quelle: IMA Dresden



Fehlende Faserlagen / GassenbildungEntstehen durch unsachgemäße Verarbeitung beim Legeprozess und/oder durch zu hohe Kräfte während des Drapierens um das Werkstück

US-C-ScanFehler

Fehlende Faserlagen können bei ausreichend großer Rückwandechoschwächung erkannt werden. Es ist jedoch eine Mindestfehlerbreite von ca. 5mm erforderlich.

Tauchtechnik


Fehlende Bündel in 2. und 3. Lage

Quelle: FhG IZFP-D


3 Messergebnisse 3 Messergebnisse 3.2 3.2 WirbelstromWirbelstrom

Quelle: Fachbericht von Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart, M. Sc. Claudia Ehinger, Dipl.-Ing. (FH) Gerhard StraßerAutomatisierungslösungen bei der Herstellung von Faserverbund-Preforms; mechatroniknews 12/2010

Wareneingangskontrolle RTM-GelegekontrolleE

T-Inspektion nach Laminieren

Drapierüberwachung



Fehlende Bündel / Gassen im GelegeFehlende Bündel entstehen durch Maschinenfehler während der Produktion

Gassen durch Toleranzen beim Legeprozess

ET-C-ScanFehler

0° - Sensororientierung

Foto

Fehlende Bündel und Gassen in Mehrlagensystemen vermindern die lokale Leitfähigkeit

Mittels angepasster Sensororientierung kann das Matching auf eine bestimmte Lage verbessert werden

Notwendigkeit von Hochfrequenzwirbelstromsystemen aufgrund der geringen Leitfähigkeit

Fehlendes Bündel

Gassen

Quelle: FhG IZFP-D



Fehlende Bündel im CFRPFehlende Bündel entstehen durch Maschinenfehler während der Produktion

ET-C-ScanFehler


Fehlerextraktion durch richtungs-abhängiges Windowing im Bildbereich und anschließende Rücktransformation in den Zeitbereich

0°-Lage +45°-Lage

Quelle: FhG IZFP-D



Delaminationen im CFRPKreisscheibenreflektoren für US-Kalibrierung

Testfehler PE-Folie (500µm) in Stufenkeil (8,6,4,2 mm) mit Abmessungen von6x6 mm² und 2x2 mm²

ET-C-ScanFehler

+45° - Sensororientierung

Detektion von dielektrischen Folien (6x6 mm²) mittels HF-Wirbelstrom sicher möglich

Fehler können ansatzweise anhand ihrer Amplitude den verschiedenen Lagen zugeordnet werden

Mehrfrequenzalgorithmen…

Quelle: FhG IZFP-D



Ondulationen im CFRPEntstehen durch unsachgemäße Verarbeitung beim Legeprozess und/oder durch örtliche Druckunterschiede beim Drapieren

ET-C-ScanFehler

Ondulation in der 3. Lage

5-lagiges Gelege


Ondulationen im gesamten Volumen können sicher detektiert werden

Die Bewertung der Tiefeninformation erweist sich noch als schwierig, jedoch kann aufgrund der Lagenverläufe auf die Fehlerlage zurückgeschlossen werden

Quelle: FhG IZFP-D


3 Messergebnisse 3 Messergebnisse 3.3 3.3 VergleichVergleich UT / ETUT / ET

Noch nicht für Luftfahrt und Automotive zertifiziert -> Normungsarbeit DGZfP

Tiefenbewertung noch nicht sicher möglich

Prüfverfahren an CFK-Komponenten ist beim Endanwender noch nicht etabliert

Koppelmedium erforderlich

Messungen nur an Laminaten

Keine Fehlerbewertung an unverharzten Gelegen möglich

Nachteile

Automatisierbares Verfahren

exakte Aussagen über Tiefenlage der Fehler möglich

Impacts mit Schädigung der Rückwand sicher detektierbar

Prädestiniert für Dickenbewertung

Zertifiziertes Verfahren für die Inspektionsroutinen der Luftfahrt

UltraschallAutomatisierbares Verfahren

Kein Koppelmedium nötig

Rohgelegeinspektion möglich

Winkelfehler als Werkstoffparameter im RTM-Prozess kann sicher überwacht werden

Höhere Wertschöpfung durch frühere Produktionskontrolle

Vorteile

Wirbelstrom


4 Res4 Resüümee und Ausblick mee und Ausblick

Datenfusion von Ultraschall und Wirbelstromdaten zur lückenlosen Produktions- und Betriebs-sicherheitsüberwachung

UT- und ET basierende Prüfverfahren können sich ideal ergänzen!

ET – Produktionsüberwachung; UT – Betriebsicherheitssüberwachung

Implementation von wirbelstrombasierter Prüftechnik in die Gelegemaschinen, Zuschneidetische, Legeroboter etc.

In der koppelmittelfreien Überwachung der Winkellagentreue beim RTM-Prozess besteht großes Nachfragepotential seitens der Industrie

Erkenntnisgewinn über Fehlerursachen und deren Schädigungspotential möglich!

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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Kohlefaserverbundwerkstoffen mittels wirbelstrom- und ... · © Fraunhofer IZFP-D No. 3 1 CFK Strukturen in Luft- und Raumfahrt / Automobilbau 1.1 typische Defekte Klebe- und Nietverbindungen