Shearography ein ZfP Verfahren in neuem Licht.

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1 DGZfP-Jahrestagung 2018 More info about this article: Shearography ein ZfP Verfahren in neuem Licht. Christoph KÖNIG 1, Dr.Thorsten SIEBERT 2 1, 2 Dantec Dynamics GmbH, Ulm Kontakt ckg@dantecdynamics.com Kurzfassung. Fristete Shearography in der Vergangenheit noch ein Dasein als Nischentechnologie, so führen Technologie-Innovation sowie vermehrter Einsatz von Verbundwerkstoffen zu neuen Anwendungen dieser interessanten Prüftechnik. Steigende Energiekosten und Umweltanforderungen treiben den Einsatz von Materialien und Konstruktionen voran, welche Vorteile durch Gewichtsreduzierung bei gleichen oder besseren Materialeigenschaften zeigen. Fanden Composite Werkstoffe in der Vergangenheit eher in der Luftfahrt Verwendung, so sind sie heute schon in unterschiedlichsten industriellen Anwendungen im Einsatz. Beispielhaft zeigt sich dieser Trend an einer prognostizierten Verdreifachung des Einsatzes von Composite Materialien in der Automobilindustrie. Ein Trend der sich in anderen Industriezweigen wie zum Beispiel der Windenergieerzeugung fortsetzt. Fallende Rohstoffpreise bei den Materialien und Fasern verursacht durch Skalierungsvorteile in Abnahme und Produktionskapazitäten befeuern diesen Trend. Hier stellen sich neue Herausforderungen an Prüftechnik, Personal und Ausbildung in Materialprüfung und Design sowie der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Die klassischen Prüfverfahren decken in diesem Zusammenhang weiterhin einen großen Teil der notwendigen Prüfaufgaben ab und stellen sich auf die neuen Anforderungen ein. Etliche Aufgaben und Fehlerbilder wie zum Beispiel fehlerhafte Klebeverbindungen oder Falten in den Faserlagen lassen sich jedoch nicht, oder nur mit erheblichem Aufwand mit den klassischen Methoden prüfen. Hier entfalten sich die Vorteile der Shearography. Eine heute ausgereifte Technologie, die besonders von den rasanten Leistungssteigerungen in Kamera und Rechnertechnik, sowie der allgemeinen Miniaturisierung profitiert. So können portable Systeme, einfach bedient, reproduzierbare, sichere Fehleranzeigen in kurzer Zeit liefern. Die bildgebende Darstellung, sowie einfache Prüfabläufe erzielen aussagefähige Resultate, wo andere Technologien an ihre Grenzen stoßen. In diesem PowerPoint Vortrag werden die neuesten Shearography-Technologie und Produktentwicklungen im ZFP- und Anwendungskontext vorgestellt. Neben den Möglichkeiten und Anwendungsfeldern werden auch die Grenzbereiche der Shearography aufgezeigt. Lizenz: 1

2 Shearography ein ZfP Verfahren in neuem Licht. Turning measurements into Knowledge Dantec Dynamics GmbH Christoph König, Ulm Treibende Kräfte zu neuen Wegen Steigende Energiekosten und Umweltanforderungen treiben die Entwicklung und den Einsatz von Materialien und Konstruktionen zur Gewichtsreduzierung bei gleichen oder besseren Materialeigenschaften voran. Energiekosten 1

3 SteigenderEinsatzvon LeichtbauWerkstoffenund Strukturen Trends der Carbon-Faser-Produktion Raum und Luftfahrt profitieren schon länger vom Einsatz neuer Leichtbau Werkstoffe durch Gewichtseinsparung. Sie sparen so Kraftstoff und heben Nutzlastvorteile. 150$ Preise Verbrauch 150$ Heute finden sich Faserverbund und Leichtbau in den unterschiedlichsten industriellen Anwendungen. Knowhow, steigende, Produktionskapazitäten und somit fallende Kosten befeuern diesen Trend. 75$ 5$ Sport Luft& Raumfahrt Auto &Windenergie Industrie 75$ 5$ Technologie Treiber Dieser Trend ist begleitet von dramatischen Beschleunigungen und disruptivenentwicklungen in Schlüsseltechnologien und daraus ableitbaren Leistungssteigerungen der Prüftechniken Preise Computer Trends der Technologisierung Leistung Fertigungsverfahren Miniaturisierung Laser und LED

4 Innovationenin der Shearography Aus dem Labor in die prakische Anwendung! Portabel Einfach zu bedienen Reproduzierbare Ergebnisse wirtschaftlich Automated Shearo test system for rotor blades Shearo test system based on vibro excitation Portable Shearo vacuum hood 1995 Shearo with live phase map and drift correction Ruggedized Shearo test system Shearo vacuum hood with external display 2010 Shearo sensor for robotic applications Shearo crawler for wind power blades FlawExplorer 2018 Shearo automated recording procedures FlawExplorer2 First Shearo sensor 1989 Das Prinzipder Shearpography Laser Speckles Deformation Laser Shear element Kamera = Differentialverschiebung (zwischen geteilten Punkten) 3

5 Shearography for NDT Composite Inspection Funktionsprinzipder Shearography unbelastet belastet Deformation ausder Ebene Gradient der Deformation Defekt Anregung Ober fläche Temperatur Vakuum Vibration mechanisch Füllung NichtjedesProblem ist ein Nagel Erfahrung und Methodik der Werkstoffprüfung müssen den neuen Herausforderungen und spezifische physikalische Eigenschaften und Fehlertypen angepasst werden. So wächst auch die Prüftechnik mit den Anforderungen und technologischen Möglichkeiten. Fehlerbilder an zum Beispiel an dünne Schichten, Klebeverbindungen stellen besondere Herausforderungen an die Prüftechnik und den Prüfer. So sind zum Beispiel Klebefehler wie zum Beispiel Kissingbonds oder dünnschichtige Verbindungen auf Wabenstrukturen kaum mit den klassischen Prüfmethoden wie zum Beispiel Ultraschall aufzuspüren. Tap Hammer Ultraschall portable Shearography Kamera 4

6 Was ist ein Fehler? Entscheidende Fragen innerhalb der ZfP: Was ist ein Fehler? Welche Unterschiede im Bauteil sind ein Fehler? Wie kann der Fehler am besten sichtbar gemacht werden? Welche Fehler sind kritisch? Wie aufwendig ist die Prüfung? Reproduzierbarkeit? Einordnung der Verfahren der Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) Visuelle Verfahren Visuelle Beurteilung der Bauteiloberfläche Zuhilfenahme von Hilfsmitteln (Endoskope, Eindringverfahren) Akustische Verfahren Messung der Ausbreitung akustischer Wellen im Bauteil Klangprüfung, Ultraschallverfahren Elektromagnetische Verfahren Beeinflussung von elektro-magnetischen Feldern an der Oberfläche Abhängig von elektrischen Eigenschaften des Bauteile Durchstrahlungsverfahren Beeinflussung von Strahlung beim Durchdringen des Bauteils Projektion s oder Tomografische Bildgebung 10 5

7 Verfahren der Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) Thermische Verfahren Messung thermischen Verhalten der Bauteiloberfläche Aktive oder passive Verfahren Optische Verfahren Messung geometrischer Veränderungen der Bauteiloberfläche Aktive Verfahren, vergleichen mindestens zwei Zuständen Alle ZfPVerfahren zeigen (lokale) Unterschiede in physikalischen Eigenschaften des Prüfkörpers 11 Shearographyals ZfPVerfahren Shearography als ZfP Verfahren Optisches Verfahren zur Messung von lokalen Oberflächenverformungen: Erforderte Optische Zugänglichkeit Berührungsloses Verfahren Flächenhaftes Verfahren Aktives ZfPVerfahren: Vergleich von zwei Objektzuständen unterschiedlicher Belastung/Anregungen Die Belastung muss aufgrund des Fehlers eine lokale Verformung der Objektoberfläche erzeugen Die Belastung kann an die Einsatzbedingung und das Material des Prüflings, sowie die Art und Eigenschaften des Fehlers angepasst werden Lokale Festigkeitsunterschiede können sichtbar gemacht werden 6

8 Shearography Sensoren FlawExplorer Neuster, kompakter und robuster Dantec Shearing Sensor Als 2, 4 oder 8 Laserdioden Ausführung Messfeldgrößen pro Messung von 0.01m2 bis 2m2 Typische Messzeiten < 30sec Sehr mobiler Sensor mit Aufbauzeit im Sekundenbereich Kompaktes Design für Labor-, Roboter- oder Draußen-Messungen Sehr Effiziente Prüfung großer Flächen mit schneller Defektlokalisierung Verbesserte Bildqualität durch neuartige Filter Einfache und deutliche Fehlererkennung Automatische Reportfunktionalität in der Software Einsetzbar mit jeder Art der Anregung Shearography Sensoren Q-810 Haube Portables Shearing System, optimiert für In-Field Prüfungen Schnelle Prüfung großer Flächen (~15m2/h) Haube mit integriertem Touch-Screen Vakuum oder/und Wärmebelastung Mit Kabellängen von >20m zwischen Haube und Elektronik 7

9 Shearography Belastungsarten Wärme-Anregung Wärme-Belastung ist einer der meist genutzten Anregungen, da sie einfach einzubringen ist Die zeitliche Entwicklung beinhaltet Information zur Tiefenposition Wärme-Belastung ist gut geeignet für die Prüfung von Kohle-Faser Laminaten, Metall und dünnen Glasfaser Materialien Vakuum-Anregung Vakuum-Belastung ist eine mechanische Anregung, die Fehler durch ziehen an der Oberfläche sichtbar macht Kann lokal, zbeiner Haube (Q-810) oder global in einer Vakuum Kammer verwendet werden Vakuum-Belastung ist gut geeignet für die Prüfung von Waben- Sandwichstrukturen, Plastik, Kork oder ähnliches Shearography Belastungsarten Schwingungs-Anregung Fehlerbereiche werden in Resonanzschwingung gebracht Eigen-Mode und Eigen-Frequenzen können bestimmt werden Schwings-Belastung ist gut geeignet für Materialien mit geringer Dämpfung Mechanische-Anregung Mechanische Belastung durch Biegung oder Streckung Belastung analog zur Betriebslast Mechanische Belastung ist gut geeignet für Bauteile mit starker mechanischer Belastung im Betrieb 8

10 Typische Fehler in Faserkunststoffverbund In der Fertigung Im Betrieb Typische Materialien und Fehler Materialien: Honey-Comb Gummi bzw. Gummibeschichtungen Faser-Metall Laminate Metall-Metall Verbindungen Schaumfüllermaterial Leder Keramik Glas-Faser Glare Faserverstärkte Tanks Fehlerarten: Delaminationen Schichtablösungen Strukturablösungen Ondulationen KissingBonding Impact Schaden Haftungsverringerung Strukturelle Anomalien Interne strukturelle Änderungen Interne Korrosion Wassereinschlüsse 9

11 Shearography Automobile Sandwich Strukturen Strukturelle Anomalien Struckturablösung Christoph König / DGZFP Jahrestagung 2018 Copyright Dantec Dynamics. All rights reserved Shearography Rotorblattprüfung Rotorblätter Wartung Strukturelle Anomalien Ondulationen (Falten) Impact Schaden Blitzschlag Risse Faltenin Spar Cap Klebeablösung Strukturablösung Riss Christoph König / DGZFP Jahrestagung 2018 Copyright Dantec Dynamics. All rights reserved 10

12 Shearography Rotorblattprüfung Rotorblätter Produktion Strukturelle Anomalien Ondulationen (Falten) Shearography crawler fürprüfungimblatt Typisches Ergebnis für Faltenin bis zu 40mm dicken Laminaten Wind rotor blade Typische wrinkling Shearography Luftfahrt Flugzeuge Radom Klappen Defekte Strukturelle Anomalien Impact Schäden Impact Schäden an einem Radom Christoph König / DGZFP Jahrestagung 2018 Copyright Dantec Dynamics. All rights reserved 11

13 Shearography Luftfahrt Luftfahrt Drohnen Defekte Strukturelle Anomalien Impacts Risse Bauteil mit 6mm Ablösung Christoph König / DGZFP Jahrestagung 2018 Copyright Dantec Dynamics. All rights reserved 23 Shearography Luftfahrt Luftfahrt Helikopter Rotorblätter Defekte Strukturelle Anomalien Impacts Risse Impact und Ablösungen Riss in gummi-beschichteten Holzblatt 24 12

14 Voll- oder Faserverstärkte Tanks Faserverstärkte Drucktanks Defekte Einschlüsse Impacts Risse Impacts Einschlüsse Faserablösung 25 MetalKlebeverbindungen Feldmetaldichtungen Defekte Kissing Bonds Ablösung 26 13

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Turning measurements into Knowledge Dantec Dynamics GmbH Christoph König, Ulm 14