Fortschrittliche Prüfmethoden zur Prüfung von CFK-Großkomponenten mit komplexer Geometrie

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1 DGZfP-Jahrestagung 2017 More info about this article: Fortschrittliche Prüfmethoden zur Prüfung von CFK-Großkomponenten mit komplexer Geometrie Michael OKULLA 1, Uwe DÜFERT 1, Andrey BULAVINOV 2, Roman PINCHUK 2 1 MT Aerospace AG, Augsburg 2 I-Deal Technologies GmbH & CoKG, Saarbrücken Kontakt michael.okulla@mt-aerospace.de andrey.bulavinov@i-deal-technologies.com Kurzfassung. Die Bauteile aus CFK stellen vom Gesichtspunkt der prozessbegleitenden Qualitätssicherung und Qualitätsprüfung eine Herausforderung dar, was einerseits auf ihre Materialeigenschaften, andererseits auf ihre teilweise sehr komplexe Form zurückzuführen ist. Die konstruktions- und fertigungstechnisch optimierten CFK-Komponenten weisen in Bezug auf die Prüftechnik eine Tendenz zu immer komplexeren Bauteilen hinsichtlich Geometrie und innerem Aufbau auf. Diese Teile haben in der Regel zahlreiche, oft zweiachsig gekrümmte Oberflächen unterschiedlichster Krümmungsradien und viele verschiedene Materialmischungen. Das macht sie zu prüftechnisch schwierigen Objekten für die Ultraschallprüfung. Dennoch ist die Ultraschallprüfung in der industriellen Qualitätskontrolle am meisten verbreitet. Erschwerend dazu kommt die in manchen Fällen überdurchschnittliche Baugröße von zu prüfenden CFK-Komponenten, die neben gewöhnlicher Herausforderungen hinsichtlich Ultraschallprüftechnik Spezialansätze zur Handhabung von großen Datenmengen und Visualisierung von großflächigen Strukturen erfordert. Am Beispiel der CFK-Boosterprüfung werden im aktuellen Beitrag fortschrittliche Methoden zur Prüfung von großen und komplexen CFK-Bauteilen erläutert, welche auf der Basis der Sampling Phased Array Technik entwickelt und in der Vorserienprüfung erfolgreich umgesetzt wurden. Die schnelle Datenerfassung und automatische Auswertung der Ultraschallprüfergebnisse wird hierbei durch adaptive Rekonstruktionstechniken realisiert, die teilweise stark variierende Bauteilgeometrien in Echtzeit berücksichtigen. Eine dreidimensionale, geometrietreue Erfassung und dreidimensionale Rekonstruktion des Bauteilvolumens ermöglicht trotzt große Bauteilabmessungen eine schnelle Bauteilbewertung. Einführung Vor dem Hintergrund steigender Rohöl- und Energiepreise erzielen Leichtbauwerkstoffe in allen industriellen Bereichen insbesondere im Flugzeug-, Automobil- und Maschinenbau seit zwanzig Jahren ein konstantes Wachstum. Im aktuellen Fokus stehen dabei Faserverbundkunststoffe, insbesondere carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK), da mit ihnen Gewichtseinsparungen von bis zu 70 % gegenüber Stahl erreicht werden können. Herausragende Beispiele für den wachsenden Marktanteil von CFK sind der Serieneinsatz Lizenz: 1

2 im Airbus A350XWB (Serienproduktion seit 2014, Flügel und Rumpf aus CFK) und in der BMW i-serie (BMW i3 und BMW i8, Serienproduktion seit 2013/2014 mit CFK- Karosserie). Zu weiteren stark wachsenden Einsatzgebieten von CFK zählen Windkraftanlagenbau und Schiffsbau, wo ebenfalls kleine und mittelständische Unternehmen in den Produktionsketten als Zulieferer beteiligt sind. Verschiedene Marktstudien gehen für die nächsten 10 bis 15 Jahre von Wachstumsraten zwischen 13 und 17 % für den CFK-Markt aus [1, 2]. Eine bedeutende Herausforderung in diesem Hochtechnologie-Wachstumsmarkt ist aktuell die Qualitätssicherung der hergestellten CFK-Bauteile. Aufgrund des relativ jungen und komplexen Herstellungsprozesses, in welchem das CFK-Bauteil lagenweise aus textilen Carbonfaser-Halbzeugen aufgebaut wird, weisen die industrieüblichen Ausschussraten relativ hohe Werte auf (bis zur 30 %, zum Teil auch höher). So beklagen auch Zulieferer für die CFK-basierte i-serie von BMW, dass der Konzern aufgrund interner Qualitätsprobleme bei der CFK-Fertigung nur ca. die Hälfte der angeforderten Komponenten abnahm [3]. Der Flugzeughersteller Airbus beziffert die mit der Herstellung von CFK-Bauteilen aktuell einhergehenden Prüf- und Qualifizierungskosten auf bis zu 20 % der Bauteilgesamtkosten [4]. Es besteht somit ein hoher Bedarf nach kostengünstigen zerstörungsfreien Prüfverfahren für komplexe CFK-Strukturen. Aus der ganzen Reihe von bestehenden zerstörungsfreien Prüfverfahren eignet sich aufgrund hoher Anforderungen an den Prüfungsdurchsatz und den Nachweisvermögen nur die automatisierte Ultraschallprüfung für die In-Line Qualitätskontrolle. Die herkömmliche Ultraschall-Prüfung, wie sie aktuell industrieller Standard in der CFK-Prüfung ist, weist dabei eine Reihe von Nachteilen auf, die aktuell für die hohen Qualitätssicherungskosten mitverantwortlich sind. In Gesprächen mit CFK-Herstellern werden wiederholt folgende Nachteile konventioneller Ultraschall-Prüftechnik genannt (vgl. auch [5, 6]): Die Prüfergebnisse liefern keine ausreichenden Informationen bezüglich der Größe und insbesondere der Art des Fehlers. Die Interpretation der Ultraschall-Ergebnisse ist abhängig vom Fachwissen und der Erfahrung des Prüfers. Daraus resultiert ein hoher Zeit- und Kostenaufwand für die Auswertung der Prüfbilder, ferner ein hoher subjektiver Faktor bei der Klassifizierung von Teilen als Ausschuss. Da keine Rekonstruktion des Fehlervolumens möglich ist, kann der Einfluss des Fehlers auf die mechanischen Bauteileigenschaften nicht abgeschätzt und eine Fehlerklassifizierung des geprüften Bauteils nicht eindeutig vorgenommen werden, d.h. eine quantitative Bewertung von Fehlstellen (Typ, Lage, Größe, Orientierung) ist nach dem heutigen Stand der Technik nicht möglich. Die Prüfung komplexer 3D-Bauteile ist nur in eingeschränkten Bereichen möglich und dabei mit einem teilweise enormen messtechnischen Aufwand verbunden. 1. Tomografische Prüfverfahren auf der Basis der SAFT-Technik und Phased Array Prüfköpfe Die moderne Realisierung der Synthetischen-Apertur-Fokus-Technik (SAFT) impliziert den Einsatz von Phased Array Wandlern in automatisierten Prüfvorrichtungen. Die Verarbeitung von Messdaten kann nach Sampling Phased Array (SPA) [5] Methode, Digital Focus Array (DFA) [6] Methode oder Full Matrix Capture (FMC) [7] Methode erfolgen, die letztendlich die SAFT-Rekonstruktion des Bauteilvolumens über die eingeschränkte effektive Apertur eines Gruppenstrahlerwandlers in einer Prüfkopfposition realisieren. Die wertvollste Eigenschaft von Phased Array Prüfköpfen für die SAFT-Rekonstruktion besteht in hoher Schallbündeldivergenz infolge kleiner Elementabmessungen bei gleichzeitiger 2

3 hoher Empfindlichkeit des Prüfkopfes dank seiner großen Apertur. Diese Eigenschaftskombination kann nicht ohne weiteres von den Einzelschwingerprüfköpfen bei der klassischen SAFT-Anordnung erwartet werden. Des Weiteren kann bei der SAFT- Prüfung mit Phased Array Wandlern dank kombinatorischer Messdatenredundanz auf das feine Messraster verzichtet werden, welches bei der Prüfung mit Einzelschwingern zwingend erforderlich ist. Die SAFT-basierten Phased Array Prüfsysteme können mit moderner Robotertechnik kombiniert werden, um insbesondere geometrisch komplexe Bauteile dreidimensional zu erfassen und auszuwerten [8]. Dennoch gibt es bei der SAFT-Technik auf der Basis von Linien-Arrayprüfköpfen auch einen Nachteil man kann damit kein räumlich gleichgerichtetes Auflösungsvermögen realisieren. Die Anzeigenunschärfe in der Raumrichtung senkrecht zur Schwenkebene des Arraywandlers ist hierbei eine laufzeitabhängige Größe, die von der Schallfeldgeometrie in dieser Richtung bzw. Elementlänge ( Elevation ) abhängig ist. In Gegensatz zur oben erwähnten FMC Methode verwenden die SPA und DFA Methoden im Regelfall keine komplette Informationsmatrix in jeder Messposition des Ultraschallwandlers und sind dadurch für die Echtzeitanwendungen mit hohen Anforderungen zur Scangeschwindigkeiten besser geeignet. In Spezialfällen wie z.b. bei der Prüfung von stark streuenden Materialien oder Komponenten mit großen Schallwegen kann der so genannte Virtuelle Sender -Ansatz durch defokussierende Sendeverzögerungen verwendet werden, um eine bessere Empfindlichkeit zu erzielen (Abb. 1). Der Vorteil der SPA / DFA Methode bei der Tauchtechnik-Prüfung mit Arraywandlern im Vergleich mit Einzelschwinger-Wandlern und konventioneller Linearscan-Funktion der Phased Array Technik ist in Abb. 2 erläutert. Der SAFT-basierte Mess- und Rekonstruktionsvorgang der SPA / DFA Technik gestattet per se die Rekonstruktion von beliebigen Einschallwinkeln ohne viele Prüftakte. Streng genommen benötigt man einen Prüftakt pro einen virtuellen Sender der Arrayapertur, um alle physikalisch realisierbaren Einschallwinkel zu realisieren/zu erfassen. Damit kann bei einer entsprechenden Überlagerung der Messinformationen von benachbarten virtuellen Sendern eine wesentliche Verbesserung des Auflösungsvermögens durch die Vergrößerung der effektiven synthetischen Apertur erzielt werden. Virtueller Sender Wellenfront Wellenfront Abb. 1: Realisierung der SPA Methode mit dem defokussierten Sendevorgang Ein weiterer Vorteil des oben beschriebenen Prüfansatzes bzw. des erhöhten Informationsinhaltes der SPA / DFA-Technik im Vergleich zur konventionellen Phased Array technik besteht darin, dass neben der hochaufgelösten Prüfvolumenerfassung, eine ausreichend akkurate Rekonstruktion des Ankoppelflächenprofils aus dem gleichen Messdatensatz realisiert werden kann. Dies ist besonders hilfreich bei der Prüfung von Bauteilen mit irregulären Oberflächen wie in der Prüfanwendung, die das Thema des aktuellen Beitrages ist. 3

4 Konventionelle Einzelschwingerprüfung Linearscan-Funktion mit dem PA-Prüfkopf Geringes Auflösungsvermögen, niedrige Geschwindigkeit Geringes Auflösungsvermögen Kombination der Linearscanfunktion und Sektorscan-Funktion Sampling Phased Array Sektorscan Niedrige Geschwindigkeit Hohes Auflösungsvermögen Abb. 2: Vorteile der SPA-Technik bei der Prüfung mit Breitstrahlerprüfköpfen mit großer Elementanzahl 2. Aufgabenstellung: Ultraschallprüfung des CFK-Boosters in lokaler Tauchtechnik Der Treibstofftank (Booster) wird im Harzinfusionsverfahren nach trockenem Wickeln der CFK-Rovings auf einem Wickelkern hergestellt. Im Inneren des Tanks befindet sich eine Schicht Isolation (EPDM). Nach dem Aushärten in einem Ofen muss sowohl das gesamte CFK-Volumen, als auch die Anbindung der Isolation auf Fehlstellen untersucht werden. Der CFK-Booster besitzt einen zylindrischen Teil und zwei abschließende Dome (Zünderseite und Düsenseite). Das monolithische CFK-Bauteil hat folgende Abmessungen: Durchmesser 3600mm, Länge ca mm, Wandstärke zwischen 24mm bis 65mm. Abb. 3. CKF-Booster und die Abtastung des Bauteils in lokaler Tauchtechnik Das Bauteil musste in lokaler Tauchtechnik einer 100%-tigen Volumenprüfung unterzogen werden, indem sich dieses inklusive Zylinder- und beide Dombereiche mit einem in Wasserkammer befindenden Phased Array Wandler in mehreren Prüfspuren abgetastet wird (Abb. 3). Die Datenverarbeitung und Volumenbildrekonstruktion sollte nach dem SPA- Verfahren unter Berücksichtigung lokaler Ankoppelbedingungen (Krümmung im Dombereich, Welligkeit) in Echtzeit erfolgen. 4

5 2. Adaptiver Echtzeit-Rekonstruktionsansatz für die Tauchtechnik-Prüfung von CFK- Objekten mit irregulärer Oberfläche Die Aufgabe einer tomografischen Echtzeit-Volumenrekonstruktion bei der Tauchtechnikprüfung mittels Gruppenstrahlerprüfköpfe ist rechnerisch sehr anspruchsvoll und wurde weltweit zum ersten Mal im Rahmen des aktuellen Projektes gelöst. Grundsätzlich besteht die Rekonstruktionsmethode aus zwei Schritten. Im ersten Rekonstruktionsschritt wird das Profil des Bauteils mittels Ultraschallwellen erfasst (Abb. 4 links) und anschließend wird im zweiten Schritt die Rekonstruktion des Bauteilvolumens nach dem Prinzip der Synthetischen-Apertur-Fokus-Technik (Abb. 4 rechts) durchgeführt, indem in jeder Prüfposition die Ultraschall-Laufzeitwerte für jedes Volumenelement unter Berücksichtigung des ermittelten Oberflächenprofils in einer Ray-Tracing Simulation ermittelt werden. Die Abb. 5 zeigt die SPA-Ultraschall-Schnittbilder (so genannte Compound-B- Bilder) in einer Prüfposition des Ultraschallwandlers. Das untere Bild gibt das unebene Profil des Bauteils wieder, während das obere Bild einen Schnitt durch das Bauteilvolumen darstellt, indem man eine schräge Rückwand sowie einen künstlich eingebrachten Materialfehler (Flachbodenbohrung) sehen kann. Abb. 4. Erläuterung des Rekonstruktionsprinzips bei der SPA-Prüfung in Tauchtechnik Ansonsten kann die Bewertung von Prüfdaten als recht konventionell bezeichnet werden die Anzeigen in der Materialblende, die die vorgegebene Registriergrenze von Ersatzreflektorgröße KSR 6 mm überschreiten werden detektiert und einer weiteren automatischen Auswertung auf der Basis von Flächenkriterien unterzogen. Ferner wird die Abschwächung des Rückwandsignals vermessen und bildgebend dargestellt. Um eine vereinfachte Auswertung der Prüfergebnisse unmittelbar im mechanisierten Prüfvorgang zu ermöglichten, realisiert die Prüfsoftware eine automatischer Rückwandecho- Verfolgung sowie die Nachsteuerung der Materialfehlerblende. 5

6 Abb. 5. Compound-B-Bild Rekonstruktion in einer Prüfposition nach dem SPA-Verfahren: Unten Oberflächenprofilerfassung, Oben - Volumenschnittbild 3. Datenhandhabungs- und Visualisierungskonzept für die Prüfung von großen CFK- Bauteilen Die Durchführung einer bildgebenden Ultraschallprüfung bei derart massiven Bauteilen stellt eine recht große Herausforderung dar. Da es sich beim CFK-Booster um ein sicherheitsrelevantes und teures Serienbauteil handelt, müssen die Ultraschallprüfdaten zwecks eventueller späterer Nachbewertung auch längere Zeit nach der Ultraschallprüfung zur Verfügung stehen. Die bei der Prüfung eines Behälters zustande kommenden Ultraschalldaten betragen 1 bis 2 Terrabytes, was zwar bei heutigen Speichermöglichkeiten kein großes Problem bereitet, jedoch spezielle Lösungen bei der schnellen Visualisierung und Auswertung von diesen Daten benötigt. Speziell für die Prüfung und Auswertung des CFK-Boosters wurden zwei Darstellungsmodi realisiert. In dem so genannten 3D-Übersichtsmodus wird das gesamte Bauteil bzw. seine drei Großbereiche (Zylinder, und beide Dome) mit der texturierten C- Bilddarstellung präsentiert (siehe Abb. 6). Sinngemäß hat diese Darstellung eine reduzierte Auflösung und dient lediglich zur schnellen Erkennung von automatisch erkannten Anzeigenbereichen. Das dreidimensionale Booster-Model wird schon vor der mechanisierten Datenaufnahme erzeugt und dient als Container für die rekonstruierten Ultraschalldaten, welcher im Laufe des Prüfvorganges sukzessiv aufgefüllt wird. Zwecks anschließender Analyse von Ultraschallmessergebnissen wird das Booster-Model in nummerierte Segmente aufgeteilt, die bei einer entsprechenden Auswahl in dem zweiten, hochaufgelösten 2D- Darstellungsmodus präsentiert werden (siehe Abb. 7). Die entsprechenden Auswerteparameter (Prüfempfindlichkeit, Lage von Messblenden) können bei dieser manuellen Nachbewertung verändert bzw. angepasst werden. 6

7 Um den industriellen Einsatz der entwickelten Prüftechnik bei hohen Scangeschwindigkeiten sowie das schnelle Laden und Darstellen von Prüfdaten im Analysemodus zu ermöglichen, wurden die SPA-Rekonstruktionsalgorithmen sowie die 2D / 3D-Darstellungsabläufe auf der Basis von modernen Grafikprozessoren umgesetzt. Abb. 6. Dreidimensionale Darstellung des Prüflings mit Segmentierung der Prüfbereiche Abb. 7. A-, B-, C- und D-Bilddarstellung eines ausgewählten Segments 4. Zusammenfassung und Ausblick Das präsentierte praktische Industrieanwendungsbeispiel der Ultraschalltomografie an geometrisch komplexen CFK-Großkomponenten zeigt das Potential der 2D / 3D bildgebenden Prüftechniken, die eine wesentliche Steigerung des Informationsinhaltes der Ultraschallprüfung bieten und zukünftige Wege für neue Qualitätsstandards in der Industrie 7

8 bereiten. Des Weiteren kann dem aktuellen Beitrag entnommen werden, dass die technischen Fortschritte der modernen Rechnertechnik immer mehr Möglichkeiten für die schnelle Erfassung, Echtzeit-Verarbeitung und automatisierte Auswertung von großen Datenvolumen bieten, die noch in der jüngsten Vergangenheit nicht möglich waren. Damit kann prognostiziert werden, dass schon in der nahen Zukunft innovative Prüfansätze auf der Basis von dreidimensionalen Bildgebung bis hin zum Einsatz von Scifi -Werkzeugen wie Augmented Reality mit der Prüfergebnisdarstellung unmittelbar am Prüfbauteil ihre praktische Anwendung finden. Referenzen [1]. JAHN, B.: Der globale CFK-Markt. In: INDUSTRIEVEREINIGUNG VERSTÄRKTE KUNSTSTOFFE E.V. (AVK) UND CARBON COMPOSITES E.V (CCEV) (Hg.): Composites- Marktbericht 2013, o.o.: 2013, pp [2]. LÄSSIG, R.; EISENHUT, M.; ET AL.: Serienproduktion von hochfesten Faserverbundbauteilen. Perspektiven für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau. Roland Berger Strategy Consultants, 2012 [3]. FREITAG, M.: Carbon - BMW hat Nachschubprobleme beim Bau des i3. magazin.de/unternehmen/autoindustrie/carbon-bmw-hat-nachschubprobleme-beim-bau-des-i3-a html, ( ) [4]. HERMANN, A.: Wie können Flugzeugbau und Automobilbau voneinander profitieren? Vortrag, CCeV Automotive Forum, Dresden, [5]. Kröning M., Hentschel D., von Bernus L., Bulavinov A., Reddy K. M.; Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfkörpers mittels Ultraschall, Deutsches Patent DE B [6]. Samokrutov A.A., Shevaldykin V.G. Ultrasonic Tomography of Metals Using the Sampling Focus Method, In: 10th ECNDT, Moscow. June 7 11, 2010 [7]. Holmes C.; Drinkwater B. ; Wilcox P.; The post-processing of ultrasonic array data using the total focusing method, In: Insight 2004, vol. 46, n o 11, pp [8]. Bulavinov A., Pinchuk R., Gurieva T., Lyanzberg D., Lider A., Demyanuk D., Sernev D., Zhvyrblya V, Filippov G.: Robot-based In-Process Examination of ITER Dome and First-Wall Panels based on Novel Ultrasonic Tomography Approach, In: 19th World Conference on Non-Destructive Testing, June 2016, Munich, Germany 8