Ultraschallprüfung von Glasfaser- und Kohlefaserverbundwerkstoffen

Nov 09, 2023

Mit der zunehmenden Verwendung von Glasfaser- und Kohlefaserverbundwerkstoffen in der Fertigung steigt auch der Bedarf an zuverlässigen zerstörungsfreien Prüfungen, sowohl in der ersten Fertigungsphase als auch während des Betriebs. Herkömmliches Fiberglas wird häufig in Tanks, Rohren, Bootsrümpfen, Rotorblättern für Windkraftanlagen, Strukturplatten und ähnlichen Produkten verwendet. Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) hat in der Luft- und Raumfahrtindustrie immer mehr an Bedeutung gewonnen, da immer mehr militärische und zivile Flugzeugkonstruktionen auf dem geringen Gewicht und den hohen Festigkeitseigenschaften fortschrittlicher Verbundwerkstoffe basieren. Aufgrund ihrer laminaren Schichtstruktur sind diese Materialien möglicherweise anfällig für Risse parallel zur Oberfläche, entweder aufgrund von aufgebrachten Spannungen oder aufgrund von Schwächen aufgrund von Herstellungsanomalien. Diese versteckten inneren Risse können einen erheblichen Einfluss auf die strukturelle Integrität haben und sind normalerweise nicht durch Röntgen- oder NDT-Techniken außer Ultraschall erkennbar. Glücklicherweise bietet die Ultraschallprüfung eine fertige und gut etablierte Technik zur Lokalisierung und Dokumentation interner Fehler.

Ultraschall-Fehlererkennung und Dickenmessung basieren auf einem einfachen Prinzip der Wellenphysik. Eine hochfrequente Schallwelle, die von einer kleinen Sonde namens Wandler erzeugt und in ein festes Medium wie Glasfaser oder Verbundwerkstoffe eingekoppelt wurde, breitet sich in einer geraden Linie senkrecht zur Oberfläche aus, bis sie auf eine Materialgrenze trifft, beispielsweise auf eine gegenüberliegende Wand, ein anderes Material Schnittstelle oder einer Laminierung. An diesem Punkt wird die Schallwelle auf vorhersehbare Weise reflektiert. Dickenmessgeräte messen die Hin- und Rücklaufzeit des Schallimpulses und verwenden dann die programmierte Schallgeschwindigkeit im Testmaterial, um die Dicke zu berechnen. Die Ultraschall-Fehlererkennung analysiert Echos durch einen Vergleichsprozess, bei dem das von einem Gutteil erzeugte Echomuster mit dem Echomuster eines Teststücks verglichen wird. Da Schallwellen von Hohlräumen oder Rissen reflektiert werden, weisen Veränderungen im Echomuster auf Veränderungen in der inneren Struktur eines Teils hin. Beim Testen von Glasfasern und Verbundwerkstoffen sucht das Instrument normalerweise nach Echos innerhalb eines markierten Tors oder Fensters, das das Innere des Teststücks darstellt. Während die inhomogene Beschaffenheit von Glasfasern und Verbundwerkstoffen selbst bei massivem Material zu Streuschallreflexionen führen kann, geben Risse, deren Fläche sich dem Durchmesser des Schallstrahls nähert, typischerweise starke lokale Hinweise, die von einem geschulten Bediener erkannt werden.

Die Testfrequenz und die Sondengröße werden basierend auf dem zu prüfenden Material und kritischen Fehlerparametern ausgewählt. Im Allgemeinen sind zur Auflösung kleinerer Defekte höhere Frequenzen und kleinere Strahldurchmesser erforderlich. Sonden mit niedrigerer Frequenz werden verwendet, um tiefer in Materialien einzudringen und Schallstreuung und -dämpfung in Materialien mit geringerer Dichte oder inhomogenen Strukturen auszugleichen. Die Auswahl der Sonde und die Einrichtung des Instruments sollten immer für die jeweilige Aufgabe optimiert werden.

Glasfaserteile und -strukturen

Glasfaser wird am häufigsten mit herkömmlichen Ultraschall-Dickenmessgeräten und Fehlerdetektoren unter Verwendung von Niederfrequenz-Einzelelementwandlern geprüft, üblicherweise bei Frequenzen von 2,25 MHz und darunter, typischerweise nur 0,5 MHz, wenn die Dicke etwa 0,5 Zoll oder 12,5 mm übersteigt. Spezielle Niederfrequenzwandler, die Impedanzanpassungs-Verzögerungsleitungstechniken nutzen, können sowohl die Eindringtiefe als auch die oberflächennahe Auflösung optimieren. Dickenmessgeräte, die eine direkte Anzeige der Gesamtmaterialdicke ermöglichen, sind einfach zu verwenden und erfordern nach der Ersteinrichtung nur wenige Anpassungen durch den Bediener. Herkömmliche Fehlerdetektoren zeigen ein Muster von Schallreflexionen an, das als A-Bild bezeichnet wird. Es verändert sich, wenn sich die Materialbedingungen ändern, und wird von einem geschulten Bediener interpretiert, um Anomalien zu identifizieren. Ultraschalldickenmessungen sind besonders nützlich bei Glasfasermatten-/Roving-Lagen, bei denen Schwankungen in der Schichtdicke eine regelmäßige Überprüfung der Dicke während der Herstellung erforderlich machen und die Risserkennung in der Schiffsvermessungsindustrie von besonderer Bedeutung ist, um mögliche versteckte Rumpfschäden an älteren Schiffen festzustellen Boote.

Kohlefaserverbundwerkstoffe

So wie moderne Kohlefaserverbundwerkstoffe fortschrittliche Materialien für die Fertigung darstellen, werden sie häufig mit fortschrittlichen Ultraschallinstrumenten geprüft, die die Phased-Array-Bildgebungstechnologie nutzen. Während Größe, Form und Dicke von CFK-Teilen erheblich variieren, eignet sich die Art der häufig auftretenden Defekte ideal für die Druckwellen-Impuls-Echo-Ultraschallprüfung. Laminare Defekte, die durch unsachgemäße Materialanordnung oder Aufprallschäden, unbeabsichtigtes Herunterfallen der Lagen und eingebettete Strukturen verursacht werden, treten größtenteils in einer Ebene senkrecht zur Oberfläche auf und stellen eine optimale Geometrie für die Schallreflexion dar.

Industrielle Phased-Array-Instrumente ähneln in Konzept und Funktionsweise medizinischen diagnostischen Ultraschallscannern, verfügen jedoch über Sonden und Software, die für technische Materialien und nicht für menschliches Gewebe optimiert sind. Phased-Array-Instrumente nutzen Mehrelementsonden, bei denen die Elemente entsprechend einer programmierten Sequenz einzeln gepulst werden, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, Strahlen zu lenken und über einen interessierenden Bereich zu streichen. Durch die Strahlsteuerung kann ein einzelner Array-Wandler ein Bild über eine Folge von Winkeln erzeugen (Sektorscan genannt) oder ein Bild aus einem festen Winkel erzeugen, der sich über die Länge einer Sonde erstreckt (Linearscan genannt). Darüber hinaus können Strahlparameter wie Apertur (Elementgruppengröße) und Brennweite gesteuert werden, um flexible Konfigurationen und hervorragende Ergebnisse mit einer einzigen Sonde zu ermöglichen. Typische Linear-Array-Phased-Array-Sonden für die Prüfung von CFK mit einer Dicke von 3 mm bis 25 mm (0,125 Zoll bis 1 Zoll) arbeiten bei 3,5 oder 5 MHz mit insgesamt 24 bis 128 Einzelelementen.

Signalamplituden aus einem ausgewählten Bereich des Teststücks werden als zugehörige Farbstufen und als Funktion der Position aufgezeichnet, wodurch ein planares Bild entsteht, das als C-Scan bezeichnet wird. Dieser C-Scan zeigt fehlerfreie Bereiche, dargestellt durch Farben auf der niedrigeren Skala, die minimalen Signalreflexionen entsprechen, während Reflexionen mit höheren Signalen von Defekten auf Farben aufgetragen werden, die sich dem Maximum auf der Farbskala nähern. Anhand dieser Bilddaten kann eine Fehlergrößenbestimmung durchgeführt werden. In vielen Fällen wird das C-Scan-Bild von einer mechanisch kodierten Sonde erzeugt, die die Sondenbewegung in Vorwärtsrichtung verfolgt, während der Schallstrahl seitlich scannt und so Daten in einem xy-Diagramm erstellt. Diese Kombination aus elektronischem und mechanischem Scannen wird oft als Einzeilenscan bezeichnet. Diese einfache Scanmethode ist schnell, vollständig portabel und mit den heutigen tragbaren Phased-Array-Instrumenten einfach zu implementieren. Der Platzbedarf von Messtaster und Encoder ist relativ klein, sodass diese Methode zum Sammeln von Datenfeldern verschiedener Teileformen verwendet werden kann.

Bei der Inspektion großer flacher oder nahezu flacher CFK-Platten kann ein zweiachsiger mechanischer Scanner verwendet werden. Einige fortschrittliche Instrumente kombinieren automatisch lineare Scans, deren Position in zwei Achsen kodiert ist, wodurch sich die Inspektionsgeschwindigkeit im Vergleich zum herkömmlichen Einzelelement-C-Scanning erheblich erhöht. Die Scannerkonstruktionen sind leicht, wasserbeständig und verfügen über Montagemöglichkeiten, die einen horizontalen, vertikalen oder kopfüber stehenden Betrieb ermöglichen. Durch die vollständige Speicherung der Inspektionsdaten können die Testergebnisse nach der Inspektion überprüft und analysiert werden.

Die Inspektion von Teilen mit einem Radius mit herkömmlicher Ultraschalluntersuchung kann aufgrund von Kopplungsproblemen eine Herausforderung darstellen. Eine lineare gekrümmte Anordnung ermöglicht jedoch, dass der Schallstrahl schrittweise um einen Innen- oder Außenradius geführt wird, während die Normalität zum Teileradius erhalten bleibt, wodurch eine Live-Querschnittsvisualisierung ermöglicht wird. Die Wahl des geeigneten Tasters hängt von der Geometrie des Teils ab. Die wichtigsten Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, sind der Prüftyp (Innen- oder Außendurchmesser), der Eckenradius und der Eckenwinkel. Nachdem die Auswahl an Sonden eingegrenzt wurde, müssen die Dicke des Teils sowie die Stellfläche von Sonde und Keil berücksichtigt werden, um den Zugang zu möglicherweise vorhandenen eingeschränkten Bereichen sicherzustellen. Für verschiedene Radien stehen Sonden zur Verfügung. Um die Ausrichtung während des Scannens zu ermöglichen und aufrechtzuerhalten, sind geeignete Vorrichtungen erforderlich.

Abschluss

Die ständige Weiterentwicklung der tragbaren Ultraschalltechnologie hat zu Werkzeugen geführt, die ein neues Maß an Zuverlässigkeit, Effizienz und Dokumentation bei der zerstörungsfreien Prüfung von Glasfasern und Verbundwerkstoffen bieten. Wie in anderen Bereichen der modernen digitalen ZfP wird sich diese Entwicklung wahrscheinlich fortsetzen.

Tom Nelligan ist leitender Anwendungsingenieur und unterstützt die Produktlinien Ultraschall-Dickenmessgeräte und Fehlerdetektoren von Olympus Scientific Solutions America (Waltham, MA). Er ist seit 1978 auf dem Gebiet der Ultraschallprüfung tätig. Für weitere Informationen rufen Sie (781) 419-3900 an, senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie www.olympus-ims.com.

Daniel Kass ist Technologiespezialist bei Olympus SSA in Waltham, MA, mit mehr als 25 Jahren Erfahrung im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung mit Schwerpunkt auf Ultraschall-, Wirbelstrom- und Phased-Array-Modalitäten. Er ist Autor und Co-Autor mehrerer Artikel und Konferenzpräsentationen zum Thema zerstörungsfreie Prüfung und Miterfinder mehrerer Patente. Für weitere Informationen senden Sie eine E-Mail an [email protected]