NDT-Verfahren zur Qualitätskontrolle und für in-service ... · PDF fileInspektionen von Composite- und integralen Flugzeugstrukturen Dr. Wolfgang Hillger, Thomas Ullmann Werkstoffkolloquium

DLR Center of Excellence Composite Structures

NDT-Verfahren zur Qualitätskontrolle und für in-serviceInspektionen von Composite- und integralen

FlugzeugstrukturenDr. Wolfgang Hillger, Thomas Ullmann

Werkstoffkolloquium 2006Luftfahrzeugstrukturen der Zukunft – Wettbewerb der Werkstoffe

05. 12. 2006, DLR Köln

2DLR Center of Excellence Composite Structures

Übersicht

EinleitungUltraschallprüftechnik

AnforderungenBildgebungAnkopplungstechnikenPrüfung von FSW- AluminiumlegierungenAnkopplung mit Luft

SHM mit Acousto UltrasonicsProjekteVisualisierung der Wellenausbreitung

ZusammenfassungComputerthomografie


Einleitung

• Definition zerstörungsfrei: Spätere Verwendung wird nicht beeinträchtigt • Vor 100 Jahren: Beginn der ZfP, Conrad Röntgen entdeckt die X-

Strahlen• Die ZfP gehört zu den wichtigsten Methoden der sicherheitstechnischen

Überwachung, vergleichbar mit der medizinischen Diagnostik• Qualitätskontrolle und Qualitätssicherung• Vermeidung von Unfällen• Fehlstellen werden indirekt angezeigt • Aufgabe der ZfP: Aus Änderungen physikalischer Messwerte auf

Fehlstellen im Werkstoff schließen• Interpretation: Fehler oder nur Ungänzen• ZfP ist ein relatives Verfahren, muss durch Vergleichskörper mit

definierten Fehlstellen kalibriert werden


Ultraschallprüftechnik

• Einschallung von elastischen Wellen• Keine Belastung und kein Kontrast-

mittel erforderlich• Echtes ZfP-Verfahren• Prüfung kann beliebig oft wiederholt

werden• Hohe räumliche Auflösung• Völlig gefahrlos und nicht umwelt-

belastend


Introduction (2)The use of composites for primary and secondary structures of aerospace vehicles requires a powerful non-destructive testing(NDT) after production and in service

Typical defects to detect:PorosityImpact damagesDebonding of skin and core in sandwich components


Ultrasonic Techniques for Composites

High inhomogeneity and anisotropycause an extremely high frequency dependent sound attenuation. Therefore the UT has to be optimised.Requirements:

High resolutionHigh reproducibilityFast scanning speedHigh dynamic rangeBroadband frequency rangeFast data capturing and -processing

Coupling techniques:Immersions-techniqueWater-split couplingAir-coupling (non-contact


CFRP: High and frequency-dependent Sound Attenuation

50 mm thick CFRP5 mm thick CFRP

Fmax = 1.7 MHz Fmax = 1.0 MHz

CFRP-step wedge

Important:Optimised amplitude distance control (ADC)


Ultrasonic Imaging


High Resolution Ultrasonic Imaging Systems at DLR

Technical data HFUS 2XXX

Full-wave A-scansData recording:

400 mm / sScanning speed:

12,5 µmMech. resolution:

1000 x 1500 mmScanning area:

50 dB in A-ScanDynamic range:

A-, B-, C-, D and F-scansImaging:

8-14 bit / 1000 MS/sADC:

up to 30 kHzPRF:

0.001 to 120 MHz (-3dB)Frequency range:

B-scan of a 2 mm thick CFRP-specimen


Rejected CFPR Component, Thickness: 4 to 34 mm


Inspection of curved CFRP-Panels


Testing of a CFRP-Cylinder with a diameter of 800mm


Ultrasonic Detection of Porosity

Conventional method:Evaluation of backwall-echo (attenuation)

Not possible for sandwich skins At DLR:

Analysis of the backscattered signal between interface and backwall-echo

Porosity-Scanner:optimised for high-quality C-/D-Scans of backscattered signals

< 0.5 Vol-% 2.3 Vol.-%

Histograms


Detection of Cracks and Delaminations in CFRP

C-sans of the backwall- and flaw-echo after loading in fatigue


Indication of Waviness of Fibres


Phased Array Technik (Gruppenstrahler)

• Prüfköpfe bestehen aus bis zu 128 Elementen

• Phasengesteuerte Ansteuerung beim Sender und Empfänger

• Schnelles (elektronisches) Scannen: linear, Sektor- und Tiefenscan

• Variables Schallfeld bezüglich Fokus und Winkel

• Real-Time B- Bild


Ultraschall Gruppenstrahler

Winkeleinschallung Fokussierunglineares Scannen

Segmentierte Schwinger im Prüfkopf erlauben ‚Programmierung‘ des Prüfkopfes:

schnelle Bildgebung Schweißnähte dicke Bauteile


Prüfung von FSW- Aluminiumlegierungen

Links:Senkrechteinschallung zur Anzeige von Poren,

Rechts:Schrägeinschallung zur Anzeige von Fehlern im Wurzelbereich


Poren in der FSW-Naht

B-Bild SchliffbildQuelle: T. Vugrin et al., Non-destructive detection of flaws in FSW and their metallographic characterization, 5th International FSW Symposium, Metz, France, 2004


Anzeige von FSW-Wurzelfehlern

Wurzelfehler

D-Bild

Quelle: T. Vugrin et al., Non-destructive detection of flaws in FSW and their metallographic characterization,

5th International FSW Symposium, Metz, France, 2004


Low Frequency Ultrasonic Testing (f<1MHz)

Conventional method for sandwich components :Through-transmissiontechnique with separate transducers on opposite sides of the component

At DLR:Echo-technique (f<1MHz)One sides access


Ultrasonic Imaging for Defects in curved Components

• The MUSE system provides in-field inspections

• C-and D-Imaging show defectsizes and locations

Inspection of a tail-unit cut out of a helicopter using the Mobile UltraSonic Equipment (MUSE)


Non-contact Ultrasonic Inspection with Air-Coupling

Air-coupled technique easily provides ultrasonic inspectionswithout coupling liquid or couplingpasteHigh acoustic impedance mismatchbetween air and solids

Requirements:• Special transducers with several

matching layers to air• Ultrasonic system with a high power

burst transmitter• Ultra low-noise preamplifier• Analogue and digital signal processing• Data recording and image processing


Air-coupled Ultrasonic Testing

C-Scan of a CFRP-sandwich component with Nomex cores and with a 5 Joule Impact


One-Sided Inspection with Air-coupled Ultrasonic Testing


Motivation for Guided Wave Techniques

• In order to take advantage of the special properties of composites, new CFRP components will get more and more complex

• It will not be able to test these structures in service with standard NDT-methods

• The costs for in-service inspections must be downcast


No time consuming scanning requiredInspection of complex componentsSignal analysis provides damage information

However:For each frequency two different wave modes exists at least Each mode is dispersiveInteraction between Lamb-waves/damageis complex and difficult to predictA practical application requires a highdegree of research and development CFRP-component with PZT-patches

used as actuators and sensors for Lamb-waves

Lamb waves can penetrate large areas.

Structural Health Monitoring (SHM) using Lamb- Waves


Lamb wave modes

Symmetric (S0)Lamb wave modes

Anti-symmetric (A0)Lamb wave mode

Source:http://www.me.sc.edu/Research/lamss/research/Waves/ewaves.htm

http://www.me.sc.edu/Re


SHM: Permanent vorhandene Sensoren/Aktuatoren

Source: http://www.g-netz.de/Der_Mensch/nervensystem/index.shtml

Source: Airbus Bremen

Sensor-Netzwerk

http://www.g-


EU-Project AISHA

AISHA: Aircraft integrated structural health assessmentDLR-contribution with 4 PJValidation of calculated Lamb-Wave ModesExcitation and analysis of Lamb-Waves Reliability / durability of sensors/actuators under environmental stressInvestigation of CFRP - and sandwich-specimensComparison of Lamb-Wave Techniques with ultrasonic imagingFull scale test of a helicopter tail unit


DLR Wettbewerb der Visionen

Selbst überwachende und selbst heilende Strukturen

Intelligente, multifunktionale Faserverbundleichtbaustrukturen durch Integrierte:Mess- und Prüfsysteme zur Last- und Schadenserkennung(Multifunktionale Fasern: Lasttragend und Sensoren (TsAGI, Moskau))Integrierte Reparatursysteme zur Selbstheilung

erhöhen die Sicherheit und senken die Betriebskosten.

Lars Herbeck, Wolfgang Hillger, Boris Kolesnikov, Tobias Ströhlein


Time of flight at six Positions of Sandwich Specimens


Volume-data

Animations

SignalAnalysis

Imaging

Phased Array

EchoTechnique

SHM Signal-processing

Combination of Ultrasonic Imaging and SHM

Air-coupledultrasonics


Ultrasonic System USPC 5000 for Lamb Wave Testing

• Both guided waves (Lamb waves)and ultrasonic imaging techniques

• 8 transmitters and 8 receivers generate 64 cycles

• The data logger provides automatic on-line testing


Recording of Lamb Wave Fields

Using Ultrasonic ImagingTechniquesExcitation with a bonded PZTScanning receiver transducerFull-wave data recordingImaging (C- or D-scans)Optional calculating of video ani-mations


Lamb Wave Propagation in Sandwich Specimen 1.2.3

Screen shots out of a video animation


US- and Lamb wave testing of monolithic Specimens

Specimen 383 0 Joule

Specimen 36420 Joule

Lamb wave responses, f = 47 kHzC- scans, f= 10 MHz


Interaction between Lamb-Waves and Damages

Ultrasonic C-scan(pulse-echo, back wall

echo)

Transmitter

Hole

HoleDelamination• Typical effect of damageon wave propagation:

– Time delay– Decrease in amplitude– Reflections– Interferences– Mode conversions

A B

C

Lamb-wave visualisation (Calculated out of experimental data)


Wave Propagation between Stringers

D-scans of wave propagation using two and three actuators


Air-coupled Ultrasonic Imaging for NDT and Lamb Waves

Air-coupledthroughtransmissiontechnique

Transmitter:bonded PZTReceiver:scanning air-coupledtransducer

2 mm thick CFRR-component with two bore holes and 15 J impact


Impedance Spectroscopy for the control of the acoustic coupling between PZT and Component

Back: free air operationRed: water coupledBlue: gluedGreen: glued 10 min.

“Back Box“ USB-device C-60 for impedance measurements


Future Activities

Full scale test: Tail unit of the EC 135

CFRP-component with a monolithic and a sandwich part Length: 3.40 m Max. width: 0.45 m

Lamb wave testing during loading in fatigueSource: Eurocopter


Zusammenfassung

Die hohe Inhomogenität und Anisotropie von CFK-Komponenten bewirkt eine hohe Schallschwächung und –Streuung. Daher sind spezielle Anpassungen erforderlich.Unterschiedliche Ankoppeltechniken: Tauchtechnik, Wasserspaltankopplung, und berührungslos mit Ankopplung über LuftDie Ergebnisse zeigen eine hohe Auflösung und Reproduzierbarkeit, sogar Poren können angezeigt werden.Allerdings ist das Scannen zeitaufwendigZukünftige Bauteile sind zu komplex für Standart NDT Techniken

SHM : Globales automatisches Inspektionssystem Lamb-Wellen können sich über große Bereiche ausbreiten Bei einer Frequenz gibt es mehrere WellenmodenKenntnis der Interaktion zwischen der Wellenausbreitung und den FehlstellenVisualisierung der Wellenausbreitung mit bildgebender US-TechnikOptimierung der Placierung von Aktuatoren und Sensoren


CT-Anlage (DLR Stuttgart)

1) Minifokus-Röntgenröhre Röhrenspannung: 450 kVmax. Auflösung: 400 µmBauteilabmessung: bis 700 x 1100 mmBauteilgewicht: bis 70 kg

2) Mikrofokus-Röntgenröhre Röhrenspannung: 240 kVmax. Auflösung: 5 µmBauteilabmessung: bis 700 x 1100 mmBauteilgewicht: bis 70 kg

3) Nanofokus-RöntgenröhreRöhrenspannung: 160 kVmax. Auflösung: 2 µmProbengröße: bis 60 x 60 mmBauteilgewicht: bis 1 kg


CT-Anlage (DLR Stuttgart)

Schutzkabine: ca. 49,0 tManipulator: ca. 15,0 tAggregate: ca. 1,5 t-----------------------------------------------------------------------------------

Gesamtgewicht: ca. 65,5 t

Strahlenschutzkabine(5,5 x 3,3 x 3,4 m) DLR Stuttgart (ab Sept. 2007):

CT-System zur Untersuchung großer Strukturen bis ca. 1 m³


Mikrofokus

Mikro- und Nanofokus

< 1 µm3 µmBrennfleckgröße

NanofokusMikrofokus

160 kV Nanofokus-Röntgenröhre hoch auflösendes CT

Nanofokus


CT als Element der Bauteiloptimierung I

Bauteiloptimierung (Loop)

Herstellung

Bauteil

3D-Analysedurch CT

Bauteiltests

Bauteildesign

gezielte Untersuchung und Bewertungversagenskritischer Stellen im Bauteil

Keramischer Niet aus C/C-SiC

AVI


CT als Element der Bauteiloptimierung II

Bauteiloptimierung (Loop)

Herstellung

Bauteil

3D-Analysedurch CT

Bauteiltests

Bauteildesign

zahlreiche Risse im CFK-Flansch deuten auf eine versagenskritische Stelle hin

SimulationFEM-Modelle

Keramische Brennkammer

AVI


CT zur Optimierung von Schadensmodellen

3D-Daten der CT-Analyse ergänzen numerische Ansätze zur Schadensmodellierung

Verfahrens-optimierung

Bauteil

3D-Analysedurch CT

Simulationdurch FEM

Schadens-modellierung

Bauteiltest

Unterstützung bei Schadensmodellierung


Untersuchungen an Bauteilen und Proben von BK

CFK-Sandwich (Mikrofokus)

1.) Probenfoto (oben),2.) Röntgentransmission (rechts oben), 3.) CT-Bild (Falschfarbe, rechts unten) AVI

1

2

3


CT als Prozessglied in der Strukturenentwicklung

Herstellung

Material-entwicklung

Bauteil-entwicklung

Struktur-entwicklung

Material Bauteil Struktur

3D-Analyse(CT)

3D-Analyse(CT)

3D-Analyse(CT)

Numerik(FEM-Simulation)



1. 2. 3.

3-dimensionale CT-Analysen ergänzen die Datenbasis für numerische Simulationen bei der Werkstoffentwicklung sowie bei Design und Konstruktion von Bauteilen und neuartigen Strukturkonzepten


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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