Schnelle Prüfung von CFK-Tragflächen Vorderkanten mit Phased Array Ultraschall

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1 DGZfP-Jahrestagung 2018 More info about this article: Schnelle Prüfung von CFK-Tragflächen Vorderkanten mit Phased Array Ultraschall Yannick BERNHARDT 1, Wolfgang ESSIG 1, Marc KREUTZBRUCK 1 1 Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik, Stuttgart Kontakt wolfgang.essig@ikt.uni-stuttgart.de Kurzfassung. Leichtbauwerkstoffe wie Faserkunststoffverbunde (FKV) werden aufgrund ihrer hohen Steifigkeit und Festigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht bereits in einer Vielzahl von technischen Systemen eingesetzt. Neben der Luft- und Raumfahrt zählen auch die erneuerbaren Energien sowie zunehmend der Automobilbereich zu den Anwendungsgebieten. Bei der Detektion von herstellungsund betriebsbedingten Schäden kommt der zerstörungsfreien Materialprüfung mittels Ultraschall eine tragende Rolle zu. Eine Herausforderung, die sich die Ultraschallprüfung allerdings immer öfter stellen muss, ist die Prüfung von gekrümmten Flächen. Große Krümmungsradien können noch durch Ausnutzung der Oberflächenspannung eines wasserbasierten Koppelmittels überbrückt werden, während kleine Krümmungsradien speziell geformte Vorlaufstrecken benötigen. Diese Lösung ist im Bereich der Einkanaltechnik Stand der Technik und wird bereits eingesetzt. Bei Verwendung von Linien- oder Matrixprüfköpfen ergeben sich hieraus neue Herausforderungen, die in anisotropen Werkstoffen nicht mittels der Total Focussing Methode (TFM) gelöst werden können. In dieser Arbeit wird hierzu ein Verfahren entwickelt, um die Verklebung in Flügelvorderkanten wie zum Beispiel des Höhenleitwerks des Elektro- Rekordflugzeugs E-Genius aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) zu prüfen. Hierzu wird, ähnlich der Einkanaltechnik, eine spezielle Vorlaufstrecke hergestellt, die die negative Kontur der Vorderkante abbildet. Besonderheit dieser Vorlaufstrecke ist hierbei, dass es mehrere Positionierungsmöglichkeiten für einen Linienprüfkopf gibt, somit können alle Bereiche der Vorderkante mit einem Vorlauf geprüft werden. Winkelschwenks von diversen Sequenzen liefern anschließend denjenigen Winkel, unter dem der Ultraschall senkrecht auf das zu untersuchende Bauteil trifft. Eine Interpolation der Winkel liefert somit für jede Sequenzierung eines E-Scans einen optimal senkrechten Einschallwinkel. Anschließend wurden die für die optimalen Schwenkwinkel jeweiligen Verzögerungszeiten berechnet. Abschließende Messungen zeigen, dass ein in intakten Bereichen durchgehend konstantes Rückwandecho entlang der Krümmung zu sehen ist und belegen den wirkungsvollen Einsatz dieser Methode. Einführung Der Marktanteil von Faserverbundwerkstoffen ist in den letzten Jahren deutlich angewachsen und wird laut aktuellen Prognosen noch weiter steigen [1]. Durch die hohen erzielbaren Steifigkeits- und Festigkeitskennwerte, bei gleichzeitig niedriger Dichte, eignen sich diese Werkstoffe sehr gut für Strukturbauteile im Leichtbau. Die durch den Leichtbau bedingt, niedrig gewählten Sicherheitsfaktoren, setzen regelmäßige Prüfungen auf Schädigungen voraus. Dies erfordert allerdings auch geeignete Methoden zur Lizenz: 1

2 Schadenserkennung. Vor allem Faserkunststoffverbunde stellen einige Herausforderungen an die notwendigen Prüfverfahren. Durch den Verbund aus Fasern und Matrix in mehreren Lagen angeordnet, entsteht ein Werkstoff mit inhomogenen Eigenschaften. Die dadurch entstehenden Grenzschichten im Material wirken sich häufig negativ auf die Prüfverfahren aus, weil an diesen Stellen Reflexionen auftreten. Ein wichtiges Verfahren zur zerstörungfreien Prüfung von Faserkunststoffverbunden ist die Ultraschallprüfung. Hierbei wird ein Piezoschwinger durch einen elektrischen Impuls zur Oszillation angeregt. Die Schwingungen übertragen sich in Form von Wellen über ein Koppelmittel auf das Bauteil. Die an Reflektoren (z. B. Rückwand oder Defektstellen) im Bauteil auftretenden Echos können mit demselben Prüfkopf wiederaufgenommen werden. Über eine bekannte Werkstoffschallgeschwindigkeit ist es möglich eine qualitative Aussage über die Lage des Defekts in der Bauteiltiefe zu machen. Theoretische Grundlagen Ein Gruppenstrahlerprüfkopf bündelt mehrere Einzelpiezoultraschallelemente, die jeweils separat angesteuert werden können. Diese Art von Prüfkopf (auch als Phased-Array- Prüfkopf bezeichnet) ist in vielfältigen Varianten verfügbar [2]. Oft werden sogenannte linear-array-prüfköpfe oder Matrix-Array-Prüfköpfe eingesetzt, bei denen die Elemente entweder in einer Reihe oder in einem rechteckiger 2D-Matrix angeordnet sind. In Abbildung 1 ist die Elementanordnung eines typischen linear-prüfkopfs mit N Elementen dargestellt. Abb. 1. Phased-Array Prüfkopf mit linearer Elementanordnung und N Elementen Durch die getrennte Ansteuerbarkeit der Einzelelemente können die Schallwellen gezielt überlagert werden und ein elektronisch gesteuertes Schwenken oder Fokussieren im Prüfkörper ermöglicht werden. In Abbildung 2 sind einige ausgewählte Betriebsmodi eines solchen Prüfkopfs dargestellt. Beim sogenannten B-Scan werden mehrere Elemente zusammengefasst, welche beim Sendevorgang durch den Prüfkopf nacheinander über das Bauteil laufen. Das Ergebnis ist das von Reflektoren im Bauteil (Rückwand oder Defekte) erzeugte Echo über der Zeit und Prüfkopflänge. Andere Betriebsweisen sind der sogenannte Sektorscan, bei dem der Schallstrahl durch das Bauteil geschwenkt wird das Ergebnis ist ein Fächerförmiges S-Bild. 2

3 Abb. 2. Betriebsmöglichkeiten eines Phased-Array-Prüfkopfs Systems: a) B-Scan, b) Fokussierung auf einzelne Punkte und gleichzeitiger B-Scan, c) Sektorscan, d) Total Focussing Method [3] Generell gilt, dass diese Methoden am besten an ebenen Bauteilen, an die der Prüfkopf gut anliegen kann, funktionieren. Kleinere Unebenheiten können durch Auffüllen des Spalts mit Koppelmittel in geringeren Maßen überbrückt werden. Um Bauteile mit gekrümmter Kontur zu Prüfen gibt es verschiedenartige Ansätze. Eine Möglichkeit bietet sich zum Beispiel durch einen flexiblen Vorlaufkeil in Form einer wassergefüllten Kunststoffblase oder ein sich selbst anpassender, adaptiver Phased-Array Prüfkopf [4, 5]. Eine andere Möglichkeit ergibt sich durch den Einsatz der Immersions-/Tauchbadtechnik, dabei wird das gesamte Bauteil in ein Wasserbad eingetaucht. Das Wasser dient hierbei gleichzeitig als Koppelmittel und Vorlaufstrecke. Von Nachteil ist hier allerdings, dass Hohlkörper wie z. B. Flügelelemente komplett Wasserdicht sein müssen, damit sie bei der Untersuchung nicht beschädigt werden. Wenn bei kontinuierlichen Profilen wie zum Beispiel Stangen oder Rohren die Geometrie schon bekannt ist gibt es die Möglichkeit einen speziell angepassten, gekrümmten Prüfkopf [6, 7] zu verwenden. Dieser muss speziell gefertigt werden und ist aufwendig in seiner Herstellung, durch das Anpassen aller Einzelelemente an die richtige Geometrie. Für solche Fälle bietet es sich deshalb auch an eine speziell angepasste Vorlaufstrecke aus Kunststoff zu fertigen. Diese ist kostengünstiger in der Herstellung und ein ebener Prüfkopf kann direkt aufgesetzt werden. In Abbildung 3 sind die verschiedenen Möglichkeiten, Bauteile mit gekrümmten Oberflächen zu untersuchen, dargestellt. 3

4 Abb. 3. Unterschiedliche Ankopplungskonzepte: a) flacher Prüfkörper, b) an Prüfkörpergeometrie angepasster Prüfkopf, c) an Prüfkörper angepasster Vorlaufkeil, d) flexible flüssigkeitsgefüllte Membran als Vorlaufstrecke, e) Tauchbadtechnik, f) Ausnutzung von Reflexion an Rückwand um hinter gekrümmte Teile zu sehen [5]. Wenn Verfahren wie Tauchbadtechnik, flexible Vorlaufstrecken oder angepasste gefertigte Kunststoffvorlaufstrecken eingesetzt werden, ist der Prüfkopfabstand zum untersuchten Bauteil nicht mehr an allen Positionen gleich. Durch die Laufzeitunterschiede ergeben sich Probleme in der genauen Bestimmung der Fehlerposition im Bauteil. Aus diesem Grund wurden verschiedene mathematische Modelle entwickelt um bei unbekannter, komplexer Bauteilgeometrie ein für die Prüfung verwertbares Bild zu erhalten. Eine Möglichkeit ist das sogenannte SAUL-Verfahren (Surface Adaptive Ultrasounds), bei der im Paintbrush - Verfahren zuerst ein Signal aufgenommen wird (alle Elemente senden gleichzeitig und nehmen einzeln das reflektierte Signal wieder auf) und auf Basis des erhaltenen B-Bilds Verzögerungszeiten aus dem ersten Echo berechnet werden. Mit diesen wird ein neues Bild erzeugt und neue Verzögerungszeiten berechnet. Diese Iterationsschleife wird solange wiederholt, bis die Sende- und Empfangsverzögerungszeiten konvergieren. Ähnlich Verfahren gibt es auch für die TFM Methode und wird als Adaptive TFM bezeichnet (ATFM) [8]. Im weiterführenden Teil wird eine neue Methode vorgestellt, die auf verschiedenen Ultraschall- Phased-Array-Systemen eingesetzt werden kann, ohne einen neuen Algorithmus im System implementieren zu müssen. Die Geometrie des Prüfkörpers zur Berechnung der Verzögerungszeiten, wird über das Aufnehmen von Sektorscans ermittelt. 4

5 Experimentelles Für die folgenden Messungen wurde auf das Messsystem Gekko der Firma M2M, Les Ulis, Frankreich zurückgegriffen. Bei der Ultraschallprüfung fand dieses Gerät in Kombination mit einem Phased-Array Prüfkopf mit linearer Elementanordnung der Firma Karl Deutsch, Wuppertal seinen Einsatz. Der Prüfkopf besitzt 64 Elemente mit einem Pitch von 0,85 mm und einer Elementbreite von 10 mm, die Prüffrequenz beträgt 2 MHz. Als Testobjekt für die Prüfung dient ein kohlenstofffaserverstärktes Flügelsegment mit symmetrischem Querschnitt ohne Wölbung, abgerundeter Nase und spitz zulaufende Hinterkante. Symmetrische Profile werden oft an Flugzeugleitwerken eingesetzt, weil dort die Kräfte ohne Anstellwinkel an Ober- und Unterseite gleich groß sein müssen. Zwischen den Bereichen der größten Profildicke und Flügelhinterkante weist das Flügelprofil annähernd keine Krümmung auf. Aus diesem Grund ist in diesem Bereich eine Prüfung mit ebener Vorlaufstrecke möglich. Im Bereich der Flügelnase verläuft das Flügelprofil sehr stark gekrümmt. Deshalb wurde für die Flügelnase eine spezielle Vorlaufstrecke, die genau an das Profil der Nase angepasst ist, gefertigt. In Abbildung 4 ist der verwendete Vorlaufkeil zusammen mit dem Flügel und Prüfkopf dargestellt. seite oben unten Abb. 4. An Flügelvorderkante angepasster PMMA-Vorlaufkeil. Der Prüfkopf befindet sich an Prüfposition oben. Die schräge und die vertikale Flächen stellen die Prüfpositionen seite und unten dar. Die Vorlaufstrecke hat speziell für das Anbringen des Prüfkopfs drei gerade Flächen. Für eine Untersuchung der kompletten Flügelvorderkante müssen deshalb jeweils drei Messvorgänge mit drei verschiedenen Prüfkopfpositionen durchgeführt werden. Eine Schwierigkeit stellt hierbei das Ermitteln der Verzögerungszeiten für die einzelnen Elemente dar. Um später einen Schwenk des Schallstrahls über die Nasenkontur durchführen zu können und die Verzögerungszeiten für jedes Element zu ermitteln, wurden im Vorfeld Kalibrierungsmessungen durchgeführt. 5

6 Ermittlung der Verzögerungszeiten Dabei wurde der Prüfkopf an den jeweiligen Prüfpositionen aufgesetzt und ein Sektorscan mit jeweils 16 Elementen durchgeführt. Für einen solchen Scan steigt die Phasenverzögerung der Elemente von der einen Seite zur anderen Seite linear an um einen Winkelförmigen Schwenk des Schalls durch das Bauteil zu bewirken. Die entstandenen, über die Prüfkopfbreite mit 64 Elementen verteilten, Sektorscans zeigen, an welchen Stellen eine Reflexion auftritt. In Abbildung 5 ist dieser Scan schematisch von links nach rechts mit dem jeweils ersten und letzten Messerergebnis dargestellt. Für die Untersuchung wurden die aktiven Elemente jeweils um fünf Positionen nach rechts verschoben. Abb. 5. Durchführen eines Sektor B-Scans über die Arraylänge an Prüfposition oben. Der Winkel der Reflexion wurde abhängig von den aktiven Elementen in einem Diagramm aufgetragen und zwischen den Einzelpunkten interpoliert, um später eine Prüfung mit einem Versatz von einem Element, statt den zuvor verwendeten fünf Elementen durchführen zu können. Beispielhaft ist eines der Diagramme (Abbildung 6) für Prüfposition oben dargestellt. Abb. 6. Winkel der Bauteilreflexion in Abhängigkeit von der Elementnummer Anhand dieser Interpolation kann für jedes einzelne Element ein spezifischer Winkel berechnet werden. Mittels der Simulationssoftware CIVA werden anschließend die Verzögerungszeiten berechnet um sequenzweise auf die jeweiligen Punkte zu fokussieren. 6

7 Die Variationen in der Dicke des Vorlaufkeils können hierdurch berücksichtigt werden. In Abbildung 7 sind die jeweiligen Winkel der einzelnen Sequenzen in grün dargestellt. Abb. 7: Ergebnis der Simulation mit CIVA. Die Grünen Linien stellen die jeweiligen Richtungen der Fokussierung dar Für die drei verschiedenen Prüfpositionen wurden jeweils drei verschiedene Berechnungen der Verzögerungszeiten mittels CIVA erstellt. Für jede einzelne Prüfkopfposition ist auf diese Weise die Ermittlung von B-Scans möglich. In Abbildung 8 ist ein solcher B-Scan für die Prüfposition oben dargestellt. Hierbei sind das Eintrittsecho und das Echo an der Rückwand des CFK-Körpers zu erkennen. An einigen Stellen traten große Abweichungen von der eigentlich geforderten Nasenkontur auf. An diesen Stellen wurde das Signal mit geringer Amplitude dargestellt, da der Koppelmittelspalt an diesen Stellen stark vergrößert war. Abb. 8. Fokussierter B-Scan an der Prüfposition "oben" Fazit und Ausblick Mittels der vorgestellten Methode ist es möglich, bei unbekannten Prüfkörpern und Vorlaufkeilgeometrien, Verzögerungszeiten für die Elemente eines Phased-Array Prüfkopfs zu ermitteln. Durch die Durchführung von Sektorscans kann eine unbekannte Bauteilgeometrie bestimmt werden, mit der eine Berechnung der Verzögerungszeiten möglich ist. Die angewandten Methoden sind in den meisten Ultraschallsystemen schon softwareseitig implementiert und kann deshalb einfach umgesetzt werden. Durch die sehr großen Variationen der Abstände im Bereich der Flügelnase, ergaben sich Schwierigkeiten bei der Ankopplung an das Bauteil. Bei einem weiterentwickelten Herstellungsverfahren für den Flügel könnte dieses Problem allerdings gelöst werden. Des Weiteren wurde ein hochviskoses Koppelmittel eingesetzt um die Ungleichmäßigkeiten zwischen Prüfkopf und Prüfkörper auszugleichen. Ein Verfahren des 7

8 Prüfkopfs um einen Scan in Flügellängsachse durchzuführen ist dadurch erschwert möglich. In einem weiteren Schritt soll ein Vorlaufkeil mit automatischer Koppelmittelzufuhr gefertigt werden, damit eine Prüfung über den gesamten Flügel ermöglicht wird. Referenzen 1. Witten, E. und A. Schuster. CCeV Marktbericht: Der Composites-Markt Europa: Marktentwicklungen, Herausforderungen und Chancen. 2. Li, C., D. Pain, P.D. Wilcox und B.W. Drinkwater. Imaging composite material using ultrasonic arrays. In: NDT & E International, 2013, 53, Doi: /j.ndteint Holmes, C., B.W. Drinkwater und P.D. Wilcox. Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit receive array data for non-destructive evaluation. In: NDT & E International, 2005, 38(8), Doi: /j.ndteint Chatillon, S., G. Cattiaux, M. Serre und O. Roy. Ultrasonic non-destructive testing of pieces of complex geometry with a flexible phased array transducer. In: Ultrasonics, 2000, 38(1-8), Doi: /S X(99)00181-X 5. Hunter, A.J., B.W. Drinkwater und P.D. Wilcox. Autofocusing ultrasonic imagery for non-destructive testing and evaluation of specimens with complicated geometries. In: NDT & E International, 2010, 43(2), Doi: /j.ndteint Schenk, G., G. Brekow, M. Kreutzbruck, W. Deutsch, M. Joswig, K. Maxam und V. Schuster. Ultrasonic Inspection System for automated Round-Bar-Testing based on Phased Array Technique. 7. Hopkins, D., G. Neau und L. Ber. Advanced Phased-Array Technologies for Ultrasonic Inspection of Complex Composite Parts. In: NDT in Canada Robert, S., F. Cartier, L. de Roumilly, R.-O. Mondou, P.-E. Lhuillier und G. Garzino. Adaptive Ultrasonic Imaging with a Phased-array Probe Equipped with a Water-filled Conformable Wedge. In: 19th World Conference on Non-Destructive Testing