Visualisierung der Ausbreitung von Lamb- Wellen in CFK-Komponenten

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1 DACH-Jahrestagung 2008 in St.Gallen - Di.4.A.2 Visualisierung der Ausbreitung von Lamb- Wellen in CFK-Komponenten Wolfgang HILLGER, DLR, Institut FA, Braunschweig Kurzfassung. Betriebsüberwachung bzw. Structural Health Monitoring (SHM) mit Lamb-Wellen verspricht durch die einfache Erzeugung und den Empfang mit applizierten Piezo-Elementen und die großflächige Ausbreitung ein preiswertes Verfahren zur Detektion von innen liegenden Schäden zu werden. Im Gegensatz zur klassischen Ultraschallprüftechnik ist kein zeitaufwendiges Scannen erforderlich. Mit einem solchen System lässt sich prinzipiell eine schnelle Prüfung per Knopfdruck durchführen. Allerdings sind Lamb-Wellen dispersiv, d. h. ihre Phasengeschwindigkeit ist frequenzabhängig. Wie das Dispersionsdiagramm zeigt, gibt es zu jeder Frequenz mindestens zwei Wellenmoden. An allen Bauteilrändern treten Reflexionen auf, die mit den direkt verlaufenden Wellen interferieren. An Fehlstellen finden zusätzlich Modenkonversionen statt. Im Gegensatz zu den Empfangssignalen der klassischen Ultraschallprüftechnik treten deshalb komplexe Empfangssignale auf, die schwer zu interpretieren sind. Eine Visualisierung der Lamb-Wellenausbreitung und deren Interaktion mit Fehlstellen ist deshalb besonders für komplexe Bauteile unverzichtbar, denn sie liefert wichtige Informationen für die Positionierung der Aktuatoren und Sensoren sowie für die Auswertung der Empfangssignale. Die Visualisierung wird bisher mit Laserinterferometern durchgeführt. Um die tatsächliche Fehlergröße in Testkörpern zu ermitteln, wird bei Forschungsprojekten neben der Schadensdetektion mit Lamb-Wellen auch komplementär eine Prüfung mit bildgebender Ultraschallprüftechnik durchgeführt. Die bildgebende Ultraschallprüftechnik kann auch erfolgreich für die Visualisierung der Lamb-Wellenausbreitung benutzt werden. Im DLR wird ein fest mit der Struktur verbundener Aktuator zur Anregung benutzt. An der gegenüberliegenden Seite erfolgt ein Scannen mit einem geeigneten Sensor. Die Ankopplung des Sensors kann über einen Wasserspalt oder berührungslos mit Ankopplung über Luft durchgeführt werden. An jedem Rasterpunkt der Scannfläche erfolgen eine Impulsanregung des Aktuators und eine 3D-Datenaufnahme des Empfangssignals. Aus den eingescannten Daten lassen sich Lamb-Wellen- B-, C- und D- Bilder berechnen, die eindrucksvoll die Wellenausbreitung zeigen. Außerdem können Video-Animationen berechnet werden, die den zeitlichen Verlauf von Interferenzen und Modenkonversionen veranschaulichen. Der Vortrag zeigt eindrucksvolle Ergebnisse eines stringerversteiften CFK-Bauteils, wobei einer der Stringer durch einen Impact partiell abgelöst wurde. Diese Ablösung verursacht eine Störung der Wellenausbreitung. 1. Einführung Die bildgebende Ultraschallprüftechnik ermöglicht eine sichere Detektion von Schäden in CFK-Bauteilen. Jedoch ist wegen der mehr oder weniger punktförmigen Messung ein zeitaufwendiges Abrastern des Bauteils notwendig. Geführte Wellen wie Lamb-Wellen 1

2 lassen sich leicht mit applizierten Piezoelementen anregen, breiten sich großflächig aus, reagieren mit Fehlstellen und können mit benachbarten Piezoelementen wieder empfangen werden. Lamb-Wellen versprechen deshalb eine großflächige Prüfung von Bauteilen per Knopfdruck ohne zeitaufwendiges Scannen [1-3], wie es bei der bildgebenden Ultraschallprüftechnik der Fall ist. Neben diesem aktiven Structural Health Monitoring (SHM-) Verfahren ist auch ein passives möglich, wobei die bei der Schadensentstehung generierten Lamb-Wellen ausgewertet (Schallemissionsanalyse) werden. Hier wird jedoch nur das aktive SHM-Verfahren betrachtet. Die Empfangssignale der Lamb- Wellenprüfung sind allerdings wesentlich komplexer als bei der Ultraschallprüftechnik mit Longitudinal- oder Transversalwellen, da es bei jeder Frequenz mindestens zwei Moden gibt, die beide dispersiv sind. Außerdem treten an allen Strukturänderungen und Fehlstellen Reflexionen und auch Modenkonversionen auf, die das Empfangssignal komplex gestalten. Die durch Fehlstellen hervorgerufenen Signalveränderungen sind im Vergleich zur klassischen Ultraschallprüftechnik meist sehr klein, so dass einfache Laufzeit- und Amplitudenmessungen nicht ausreichen und aufwendige Signalauswerteroutinen notwendig sind. Je kleiner der Abstand der Piezoelemente ist, desto kleinere Fehler lassen sich detektieren. Zur Entwicklung und insbesondere zur Optimierung eines Lamb- Wellensystems für CFK-Bauteile sind deshalb die Kenntnis der Wellenausbreitung und deren Interaktion mit Fehlstellen notwendig. Eine Modellierung ist bisher nur für einfache Geometrien möglich. Deshalb wird im DLR ein experimentelles Verfahren basierend auf der bildgebenden Ultraschallprüftechnik entwickelt. 2. Visualisierung von Lamb-Wellenfeldern 2.1 Laserinterferometer Üblicherweise erfolgt die Visualisierung der Wellenausbreitung mit einem Laserinterferometer, das die Auslenkung (out of plane) der Wellen an der Oberfläche misst. Dieses berührungslose Verfahren kann benutzt werden, um die Wellenausbreitung zu visualisieren. Bei den schwarzen Oberflächen der CFK-Komponenten ist die Reflexion nicht hoch genug, um diese Untersuchungen durchzuführen. Deshalb wird eine Reflexionsfolie auf das Bauteil geklebt. Ergebnisse hierzu sind in der Literatur zu finden [4-7]. 2.2 Bildgebende Ultraschallprüftechnik Die bildgebende Ultraschallprüftechnik wird am DLR-FA in Braunschweig seit Jahrzehnten erfolgreich zur Anzeige innen liegender Fehlstellen in CFK-Bauteilen eingesetzt. Bei den SHM- Untersuchungen mit Lamb-Wellen dient diese Technik als komplementäres Verfahren zur Schadensdetektion. Daher liegt es nahe, dieses Verfahren auch zur Visualisierung der Wellenausbreitung einzusetzen. Hierfür wird das kombinierte Ultraschallsystem USPC 5000 für bildgebende Ultraschallprüftechnik und für Lamb- Wellen benutzt [8]. Dazu erfolgt die Anregung mit einem applizierten piezoelektrischen Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) Element, das großflächig die beiden Lamb-Wellen Moden a 0 und s 0 generiert. Bevorzugt werden Wellenlängen angeregt, die mit dem Durchmesser d=2r des PZTs in folgendem Verhältnis stehen [9]: 2

3 vwave R = ( n + ) = λ wave( n + ), n= 1, 2, 3 (1) f 2 2 mit R Radius der Piezo-Scheibe; v wave, Phasengeschwindigkeit, f e Frequenz und λ wave Wellenlänge des zugehörigen Wellenmodus. Die Anregung erfolgt mit einem Rechteck-Burst-Signal mit einer Mittenfrequenz von 30 khz. Um eine höhere Empfangsspannung zu erhalten, ist eine Erhöhung der Sendespannung U meist nicht möglich, da eine maximale Feldstärke E von U E = V/mm [10] (2) d nicht überschritten werden sollte. Für einen PZT mit einer Dicke von d=0,1 mm bedeutet das eine maximale Spannung von 30 V. Anderenfalls ist mit einer Depolarisierung zu rechnen. Von der gegenüberliegenden Seite wird das Bauteil mit einem geeigneten Sensor mäanderförmig gescannt, wobei ein Rastermaß von 2x2mm ausreicht. Im einfachsten Fall kann der gleiche PZT-Typ verwendet werden, wobei eine Wasserspaltankopplung eingesetzt wird. Die in diesem Bericht beschriebenen Untersuchungen wurden mit Ankopplung über Luft durchgeführt. Der Vorteil einer berührungslosen Ankopplung wird jedoch mit einer kleineren Empfangsamplitude erkauft. Speziell an Luft angepasste Sensoren bieten Vorteile einer größeren Empfindlichkeit, sind jedoch meist relativ schmalbandig. Empfangsseitig ist eine sorgfältige Signalverarbeitung erforderlich. Zum Einsatz kommen daher ultra-rauscharme Vorverstärker mit anschließendem Bandpassfilter. Nach der Digitalisierung mit 14 Bit Auflösung wird zusätzlich noch ein digitaler Bandpass eingesetzt. An jedem Rasterpunkt wird das Lamb- Wellensignal vollständig gespeichert, so dass ein 3D-Datensatz (Volumendatensatz A(x,y,t)) zur späteren Auswertung zur Verfügung steht (Bild 2). Die typische Dateigröße beträgt 2 GByte, die Zeit zum Scannen bei 600x800 mm beträgt etwa 40 Minuten. Bild 1: Aufbau zur Visualisierung der Lamb- Wellenausbreitung Bild 2: 3D-Datensatz, Amplitude als Funktion des Ortes x, y und der Zeit t 3

4 Aus dem Volumendatensatz lassen sich berechnen [11, 12]: A-Bilder an allen Rasterpunkten (z. B virtuelle Sensoren) C-Bilder (Amplitude in der Fläche) D- Bilder (Laufzeit in der Fläche) B-Bilder (Längsschnitt) Video-Animationen (zeitlicher Verlauf der Wellenausbreitung) 3. Ergebnisse 3.1 Testkörper Bild 3 stellt ein stringerversteiftes 850x605 mm großes CFK-Panel mit einer Dicke von 2 mm und applizierten PZTs dar. Sieben PZTs sind jeweils am oberen und am unteren Rand appliziert. Die weißen Quadrate unterhalb bzw. oberhalb der PZTs stellen Zugentlastungen für die Koaxialkabel zu den PZTs dar. Als Steckverbinder wurden BNC-Stecker eingesetzt. Das D-Bild (Bild 4) zeigt deutlich die Bereiche mit den vier Stringern und eine Ablösung sowie eine Delamination des zweiten Stringers. Diese Schäden sind aufgrund von Belastungen in der Beulanlage entstanden. Ferner sind die Positionen der PZTs eingezeichnet. Gegenüber Bild 3 sind zwei weitere PZTs-Reihen vorhanden, die nachgerüstet wurden, um das Raster zu verringern. Bild 3: Stringerversteiftes CFK-Bauteil mit applizierten PZT-Elementen Bild 4: Ultraschall-Prüfbefund mit eingezeichneten PZTs 4

5 3.2 Auswertung der Volumendaten Bild 5 stellt ein Lamb-Wellen B-Bild dar, in dem die Stringer als vertikale rot-gestrichelte Linien eingezeichnet wurden. Die Position des sendenden Piezoelementes ist als grauer Kreis markiert. Von hier aus breiten sich die Lamb-Wellen nach rechts und links aus, bis sie die benachbarten Stringer erreichen. Dort werden sie reflektiert und interferieren mit den direkt vom PZT kommenden Wellen. Rechts im B-Bild erkennt man eine schwache durchgehende Welle, die wiederum am äußerst rechten Stringer reflektiert wird. Die im B- Bild gezeigten Interferenzen sorgen für sehr komplexe A-Bilder, die über vertikale Profile dem B-Bild zu entnehmen sind. Das Lamb-Wellen- D-Bild (Bild 6) stellt um den erregenden PZT Ellipsen dar, die anzeigen, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeiten im Stringer und in der Haut unterschiedlich sind. Die Phasengeschwindigkeiten können aus der Steigung von Laufzeitprofilen dem D-Bild entnommen werden. Berechnet wurden 660 m/s in der Haut und 2100 m/s auf dem Stringer. Bild 8 und 9 stellen zwei Schnappschüsse aus Animationen dar, wobei rechts der PZT auf einem intakten Stringer und rechts der PZT auf einem teilweise abgelösten Stringer angeregt wurde. Der abgelöste Stringer stört deutlich die Wellenausbreitung. Neben dem schnellen Wellenmode, der sich auf den Stringern ausbreitet, ist deutlich noch ein langsamerer zu erkennen, der sich bevorzugt in Hautfeldern ausbreitet. Die beiden Wellenlängen können direkt den Schnappschüssen (Bilder 9 und 10) entnommen werden: 70 mm Wellenlänge auf dem Stringer und 22 mm im Hautfeld. Bild 5: Lamb-Wellen B-Bild 5

6 Bild 6: Lamb-Wellen D-Bild Bild 7: Lamb-Wellen C-Bild Bild 8: Schnappschuss aus Animation beim intakten Stringer Bild 9: Schnappschuss aus Animation beim teilweise abgelösten Stringer 4. Zusammenfassung und Ausblick Es wurde gezeigt, dass die bildgebende Ultraschallprüftechnik sehr gut geeignet ist, die Ausbreitung der Lamb-Wellen in CFK-Bauteilen eindrucksvoll darzustellen. Dabei wird jeweils ein fest installierter PZT zur Anregung benutzt und ein scannender Sensor für die 3D Datenaufnahme verwendet. Mit diesem entwickelten Verfahren stehen für jeden angeregten PZT nach der Datenaufnahme ca. 2 GByte Daten von etwa virtuellen Sensoren zur Verfügung. Aus diesen Volumendaten lassen sich A- Bilder, ca

7 B- Bilder sowie diverse C- und D-Bilder berechnen. Hieraus können die unterschiedlichen Wellenmoden erkannt und deren Phasengeschwindigkeiten bestimmt werden. Ferner bietet die Berechnung von Videoanimationen, die Möglichkeit, den zeitlichen Verlauf der Wellenausbreitung und deren Interaktion mit Fehlstellen zu veranschaulichen. Für die Optimierung eines SHM-Systems in Bezug auf Auswahl der Wellenmoden, Platzierung, Anzahl und Auswahl von PZTs sowohl zur Auswertung der Empfangssignale stehen durch die Visualisierung wichtige Informationen zur Verfügung. 5. Danksagung Der Autor möchte sich bei seinen Kollegen den Herren B. Friederichs, U. Pfeiffer und A. Szewieczek für die Unterstützung bedanken. Die Untersuchungen wurden mit Mitteln der DLR Vorstandes im Rahmen des Wettbewerbs der Visionen durchgeführt (Selbstüberwachende und selbst heilende Bauteile). Dem DLR-Vorstand sei dafür gedankt. Referenzen [1] Zhongqing Su, Lin Ye, Ye Lu, Guided Lamb waves for identification of damage in composite structures: A review, Laboratory of Smart Materials and Structures (LSMS), Centre for Advanced Materials Technology (CAMT), 774 Z. Su et al. / Journal of Sound and Vibration 295 (2006) [2] H. Pfeiffer, F. Fransens, W. Hillger, U. Pfeiffer, M. Wevers, Ch. Buelens: PROGRESS ON AIRCRAFT INTEGRATED SAFETY HEALTH ASSESSMENT (AISHA), 25TH INTERNATIONAL CONGRESS OF THE AERONAUTICAL SCIENCES (ICAS), Hamburg, 2006 [3] W. Hillger: Lamb-Wellen zur Schadensanzeige in faserverstärkten Kunststoffen, DGZfP-Berichtsband 94- CD DGZfP-Jahrestagung, Mai 2005, Rostock, [4] M. Ruzzene, S. M. Jeong1, T.E. Michaels, J.E. Michaels.: SIMULATION AND MEASUREMENT OF ULTRASONIC WAVES IN ELASTIC PLATES USING LASER VIBROMETRY, CP760, Review of Quantitative Nondestructive Evaluation Vol. 24, ed. by D. O. Thompson and D. E. Chimenti 2005 American Institute of Physics /05 [5] B. Köhler, F. Schubert, M. Kehlenbach, R. Bilgram: Geführte Wellen in Plattenstrukturen und deren Wechselwirkung mit Strukturelementen und Defekten, DACH Tagung, Mai, Salzburg, DGZfP 2004 [6] B. Köhler, M. Kehlenbach, R. Bilgram, Optical Measurement and Visualisation of Transient Ultrasonic Wave Fields, Acoustical Imaging, Vol. 27, Edited by W. Arnold and S. Hirsekorn, Kluwer Academic/Plenum Publishers, Dordrecht & New York, 2004, pp [7] M. Krüger, G. Mook: Schadensdetektion adaptiver CFK-Piezokeramik-Verbunde mit Hilfe der Scanning Laser Vibrometrie, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg [8] L. Bühling,, W. Hillger, D. Ilse: USPC ein neues Prüfsystem für Health- Monitoring und bildgebende Ultraschallprüftechnik, DGZfP-Berichtsband CD, DGZfP-Jahrestagung, Mai 2007, Fürth. [9] S.S. Kessler, S.M. Spearing, M.J. Atalla, In-situ damage detection of composites structures using Lamb wave methods, in: D. Balageas (Ed.), Proceedings of the First European Workshop on Structural Health Monitoring, July 2002, Paris, France, 2002, pp [10] C.S.Wang, F.-K. Chang, Diagnosis of impact damage in composite structures with built-in piezoelectrics network, Proceedings of SPIE 3990 (2000)

8 [11] W. Hillger, U. Pfeiffer: Structural Health Monitoring Using Lamb Waves, 9th European Conference on Non-Destructive Testing, Berlin, 25 to 29 September 2006, published on CD. [12] W. Hillger: Visualisation and Animation of the Lamb Wave Propagation in Composites, Proceedings of the 6 th International Workshop on Structural Health Monitoring 2007, Stanford University, Stanford, CA, September 11-13, 2007, Vol.1, pp