s der K 1 Betrieb benötigt. Wellen Transversalwellen einzelner Faserrichtungen gezogenn gemein Defekt

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1 Seminar des FA Ultraschallprüfung Vortrag 4 Charakterisierung von Faserkunststoffverbunden mittel s der Doppelbrechung und geführ rten Wellen Peter FEY 1, Marc KREUTZBRUCK 1 Institut für Kunststofftechnik, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 32, Stuttgart K 1 Kurzfassung Faserkunststoffverbunde verdrängen inn zunehmendem Maße Metalle aus Anwendungen, bei denen hohe Steifigkeit bzw. Festigkeit bei gleichzeitig niedrigem n Gewicht gefordert wird. Dies betrifft nicht nur den Automobil- und Luftfahrtbereich, sondernn auch Windenergie, Wasserfahrzeuge und Sportgeräte. Da ein Versagen der Bauteile gerade bei Fahrzeugen ein für den Nutzer nicht hinnehmbares Risiko R darstellt, muss die zerstörungsfreie Prüfung Methoden bereitstellen, die den Zustand eines Bauteils bewerten können. Neben der Schadenserfassung nach besonderen Ereignissen, beispielsweise nach einem Unfall, werden auch Methoden zur Detektion von Ermüdungsschäden aus laufendem Betrieb benötigt. Ultraschalldoppelbrechung und geführte Wellen habenn sich beide als geeignet zur Detektion von Ermüdungsschäden in Faserkunststoffverbunden herausgestellt. Geführte Wellen sind dabei besonders für die schnelle Bewertung des Zustands des gesamten Laminats geeignet. Da sie mittels luftgekoppelten Ultraschalls erzeugt werden können, ist diese Methode berührungslos, was gerade bei empfindlich hen Oberflächen wichtig ist. Ultraschalldoppelbrechung dagegen ist ein berührendes Ultraschallverfahren, bei dem mit Transversalwellen unterschiedlicher Polarisation Rückschlüsse auf die Schädigung einzelner Faserrichtungen gezogenn werden. Damit ist die Aussage der Ultraschalldoppelbrechung detaillierter als die der geführtenn Wellen. Beiden Verfahren gemein ist, dass sie nicht einzelne Mikrorisse sichtbar machen, sondern eine Abschätzung der effektiven verbleibendenn Steifigkeitt des Materials ermöglichen. Daher wird nicht der Defekt selbst charakterisiert, sondern seine Auswirkung auf die Bauteilperformance. Lizenz: 1

2 Charakterisierung von Faserkunststoffverbunden mittels der Doppelbrechung und geführten Wellen P. Fey und M. Kreutzbruck Seminar des FA Ultraschallprüfung, November 2015, Saarbrücken 1 Gliederung Einleitung Ermüdungsverfolgung in GFK mit Geführten Wellen Ermüdungsverfolgung in CFK mit Ultraschalldoppelbrechung Zusammenfassung 2 2

3 Faserkunststoffverbunde Bild: Airbus F K FKV Bild: BMW 3 Faserkunststoffverbunde Ermüdungsschäden Interlaminare Risse Delaminationen Intralaminare Risse Faserrisse Nach: Rheinfurth et. al., WCNDT 2012, Durban Normierte Steifigkeit Faserrisse 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Normierte Schwingspielzahl n/n 6 3

4 Gliederung Einleitung Ermüdungsverfolgung in GFK mit Geführten Wellen Ermüdungsverfolgung in CFK mit Ultraschalldoppelbrechung Zusammenfassung 7 Methode Geführte Wellen Luftgekoppelte Messung der a 0 -Modengeschwindigkeit Phasengeschwindigkeit gemessen mit Empfangssignal als Funktion der Laufstrecke FFT => Phase 200 V t 0,5 V Abschirmung Prüfkopfdurchmesser: 8 mm Prüffrequenz: 207 khz Burst: 10 Schwingungen GFK Rheinfurth et al. Compos Part A 2012;43: t 8 4

5 Methoden Probenpräparation GFK Rohre Wickelprozess Lagenaufbau: [0 /45 /90 /-45 ] s (0 entspricht axialer Richtung) Gewichtsanteile je Faserorientierung: 49 %; 23 %; 5 %; 23 % Geometrie Radius: 23 mm Länge: 330 mm Wanddicke: 2 mm Weitere Fertigung Resin Transfer Moulding (RTM) Faservolumenanteil: 50% Krafteinleitungselemente aus GFK mit Stahlinserts F. Schmidt et al. Compos Sci Technol 72 (2012) Methoden Zyklische Belastung GFK Rohre Biaxiale Belastung Torsion und Zug/Druck Frequenz 3 Hz Lastverhältnis R=-1 40% der statischen Bruchlast (σ 200 MPa, τ 70 MPa) Zerstörungsfreie Prüfmethoden Optische Risszählung Luftgekoppelte Messung der a 0 -Modengeschwindigkeit τ σ, τ t σ F. Schmidt et al. Compos Sci Technol 72 (2012)

6 Ergebnisse a 0 -Modengeschwindigkeit Ermüdung GFK Rohre 1,00 0,95 0,90 Lastrichtung: 0,85 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Lastwechsel n/n Gemessene Phasengeschwindigkeit zeigt ähnlichen Verlauf wie Steifigkeit Steifigkeitsabfall gegen Ende der Lebensdauer wegen abruptem Bauteilversagen nur bei 0 -Probe sichtbar Am Beispiel 60 (1) auch Sättigung der Rissdichte erkennbar (1) 60 (2) 90 1,00 0,90 0,80 0,70 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Lastwechsel n/n Faserrichtung: ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Lastwechsel n/n 12 Gliederung Einleitung Ermüdungsverfolgung in GFK mit Geführten Wellen Ermüdungsverfolgung in CFK mit Ultraschalldoppelbrechung Zusammenfassung 13 6

7 Ultraschalldoppelbrechung Messung Ultraschallgerät Ritec RAM-5000 SNAP Monochromatische Bursts Ausgabegrößen: Amplitude und Phase Transversalwellenprüfkopf Mittenfrequenz 4 MHz Genutzte Sendefrequenz 3 MHz Mechanik Prüfkopfhalter per Schrittmotor drehbar Konstanter Anpressdruck Prüfkörperfixierung Sende- Puls Messablauf Je Winkelschritt Amplitude und Phase des reflektierten Pulses aufnehmen Amplituden- bzw. Phasenkurven mit Modellierung vergleichen Θ Prüfkörper Reflektierter Puls Schrittmotor Halterung Prüfkopf 14 Ultraschalldoppelbrechung Transversalwellenausbreitung in anisotropen Medien Beispiel UD-CFK Faserrichtung parallel zu 0 -Polarisationsrichtung Phase in rad Amplitude Quelle: Rheinfurth, Fey et al. Int J Fatig 48 (2013)

8 Ultraschalldoppelbrechung Bezug zu Materialeigenschaften: UD-CFK, Faservolumengehalt 65 %, Dichte 1,6 g/cm³ Steifigkeitsmatrix in GPa Grau hinterlegte Werte nicht von Ermüdungsschäden beeinflusst,,,,,,,,,,,, Transversalwelle in Dickenrichtung: Selbstreferenzierung über möglich Werte: Nayfeh: Wave Propagation in Layered Anisotropic Media. Elsevier, Akustische Doppelbrechung Modellierung Innerhalb der Lagen werden die Teilwellen gedämpft, durch Geschwindigkeitsunterschied entsteht Phasenverschiebung. exp exp 0 0 exp exp Amplituden der Teilwellen hängen von Winkeldifferenz, zwischen Lage und Prüfkopf ab., cos Δ, sin Δ, sinδ, cos Δ, Berechnung durch Multiplikation der Matrizen mit Amplitudenvektor:,,,,,,,,,

9 Ermüdungsverfolgung in CFK Prüfkörperpräparation Prüfkörper Lagenaufbau [0/45/-45/90] 2s Prepreg HexPly M18/ 1 UD G947 Laminatdicke 3,1 mm Ermüdung Servohydraulische Prüfmaschine Instron 8502 Frequenz 3 Hz Maximallast 477,7 MPa (79,5 % statische Bruchlast) R=0,1 50 mm Messpunkte 150 mm 25 mm 19 Ermüdungsverfolgung in CFK Simulation Annahmen Durch zyklische Belastung ändern sich und. Alle Lagen gleicher Faserrichtung werden gleich geschädigt. In 0 -Lagen entstehen keine Schäden. Vorgehen Messen der Amplitude und Phase des Signals für verschiedene Prüfkopfausrichtungen Variation von und für alle Faserrichtungen, bis gemessene und modellierte Werte zur Übereinstimmung gebracht wurden Die Werte für und mit bester Übereinstimmung von gemessener und modellierter Kurve sind das Ergebnis. 20 9

10 Ermüdungsverfolgung in CFK Ergebnisse Phase in rad Phase in rad Normierte Amplitude Normierte Amplitude Quelle: Rheinfurth, Fey et al. Int J Fatig 48 (2013) Ermüdungsverfolgung in CFK Ergebnisse Quelle: Rheinfurth, Fey et al. Int J Fatig 48 (2013)

11 Gliederung Einleitung Ermüdungsverfolgung in GFK mit Geführten Wellen Ermüdungsverfolgung in CFK mit Ultraschalldoppelbrechung Zusammenfassung 25 Zusammenfassung Ultraschalldoppelbrechung Berührende, punktuelle Ultraschallmethode Überschaubarer apparativer Aufwand Faserrichtungsaufgelöste Schädigungsinformation Geführte Wellen mit Luftgekoppeltem Ultraschall Berührungslose Ultraschallmethode Phasengeschwindigkeit als Schädigungsindikator Einfach interpretierbare Ergebnisse Ausblick Untersuchungen an komplexer geformten Bauteilen zur Identifikation kritisch geschädigter Bereiche 26 11