Innovative Ultraschallprüfung komplexer Bauteile vom Guss bis zur additiven Fertigung

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1 Seminar des FA Ultraschallprüfung Vortrag 15 Innovative Ultraschallprüfung komplexer Bauteile vom Guss bis zur additiven Fertigung Hans RIEDER 1, Martin SPIES 1, Joachim BAMBERG 2 1 Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP Campus E3 1, Saarbrücken 2 MTU Aero Engines AG Dachauer Straße 665, München Kurzfassung Die Ultraschallprüfung ist sowohl bei klassischen Metallverbindungen als auch bei modernen Herstellungsverfahren von großer Bedeutung. Die Prüfung komplexer Bauteile unterliegt besonderen Randbedingungen. Dazu gehören die Bauteilgeometrien und - dimensionen, Materialeigenschaften wie Anisotropie und Inhomogenität, aber auch die starke Schallschwächung in Gussbauteilen. Trotz größter Sorgfalt bei dem Gießen können Unregelmäßigkeiten nicht ausgeschlossen werden. Da Gasporositäten, Schrumpfungsfehler und metallurgische Fehler, wie Heißrisse entstehen können, sind geeignete Qualitätssicherungsverfahren notwendig. Den traditionellen Gussverfahren stehen heute moderne Herstellungsverfahren, wie das Selektive Laserschmelzen (SLM, Selective Laser Melting) gegenüber. SLM ist ein generatives Fertigungsverfahren, welches zu der Gruppe der Strahlschmelzverfahren gehört und auch als 3D-Drucken mit Metallpulver bezeichnet wird. Dieses Verfahren ist für Titan- und Inconel-Legierungen sowie verschiedene Edelstähle anwendbar. Ähnliche Verfahren sind das Elektronenstrahlschmelzen sowie das selektive Lasersintern. Auch bei SLM stehen derzeit Maßnahmen für die Qualitätssicherung im Fokus. Dies betrifft neben den offline Methoden der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung auch Verfahrensansätze, welche während des Herstellungsprozesses mittels Monitoring den Prozess beobachten und frühzeitig Probleme anzeigen. Wir werden in diesem Beitrag die innovative Ultraschallprüfung komplexer Bauteile sowohl bei Anwendungen aus dem Bereich der klassischen Metallverbindungen (Guss, Schweißnähte) als auch bei dem Selektiven Laserschweißen vorstellen und diskutieren. Lizenz: 1

2 Innovative Ultraschallprüfung komplexer Bauteile vom Guss bis zur additiven Fertigung Seminar des FA Ultraschallprüfung Saarbrücken, November 2015 Hans Rieder*, Martin Spies* Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP, Campus E3 1, Saarbrücken Joachim Bamberg MTU Aero Engines AG, Dachauer Strasse 665, München *Teile der vorgestellten Ergebnisse entstanden am Fraunhofer ITWM, Kaiserslautern Innovative Ultraschallprüfung komplexer Bauteile vom Guss bis zur additiven Fertigung Metallverbindungen klassisch Schweißnähte Stähle (Ferrit, Austenit) Gusswerkstoffe Moderne Fertigung Selective Laser-Melting Titan- und Inconel-Legierungen verschiedene Stähle Ultraschall-Prüfverfahren: mechanisiert Sensoren: konventionell, Phased Array, EMAT Signal- und Datenverarbeitung, Algorithmik Ausblick 2

3 Ultraschallprüfung von Schweißnähten in Bronzegussbauteilen Vor-Ort-Inspektion eines geschweißten Festpropellers 3

4 Belastungszonen von Low-Skew/High-Skew Propellern Low Skew High Skew Quelle: Germanischer Lloyd, Hamburg (heute DNV-GL) Ermittlung der zulässigen Fehlergrößen Quelle: Germanischer Lloyd, Hamburg (heute DNV-GL) 8.6 mm 6.4 mm 4 mm 2.5 mm Kantenbereiche Beispiel: Kreisscheibendurchmesser 4

5 Ermittlung der Materialkenngrößen Hydrodynamische Belastungsanalyse für typische Manöver (bollard ahead and back, turning circle, etc.) => maximale Spannungsamplitude Bruchmechanische Analyse => Rissausbreitungsschwellwert Quelle: GKSS, Geesthacht (heute) Prüfrandbedinungen Zuverlässigkeit ZfP komplexe Formen: Vielzahl von Krümmungen, abhängig vom Bauteiltyp Schalleigenschaften des Propeller-Materials Grobkörnigkeit bei CuNiAl Gefügeinhomogenität, abhängig von der Bauteildicke Schallschwächung => geringes Signal-Rausch-Verhältnis Variierende Zuverlässigkeit der Prüfverfahren viele Einflussparameter MAPOD: Reduktion der Testkörper durch validierte Simulationen 5

6 Probability of Detection POD WA2 310 x 285 x 50 mm 3 Schallschwächung 1.4 db/cm (Long-Welle, 2 MHz) FBB von 3 mm bis 8 mm Simulierte Daten Messdaten 6

7 EMAT und Phased Array - Ergebnisse Geschweißte Probe mit Modellfehlern Testkörper No. 1 V-Naht, 40 mm 3mm Querbohrung in Schweißnahtflanke 3mm/4mm Nut in Schweißnahtwurzel 7

8 Ergebnisse der verschiedenen Prüfungen Ergebnis: 3D-SAFT-Rekonstruktion Querbohrung Nut Querbohrung Nut Ergebnis: Phased-Array Geschweißte Probe mit Modellfehlern Testkörper No. 2 V-Naht, 49 mm 3 mm Querbohrung in Schweißnahtflanke 3 mm / 4 mm Nut in Schweißnahtwurzel mittig 3 mm / 4 mm Nut in Wärmeinflusszone 3 mm Durchgangbohrung in Schweißnaht 8

9 Ergebnisse der verschiedenen Prüfungen Ergebnis: 3D-SAFT-Rekonstruktion Querbohrung Durchgangsbohrung Nuten Nuten Ergebnis: Phased-Array Durchgangsbohrung Querbohrung EMAT-Sensor und Frontend-Einheit Vier-Element EMAT-Array 30 bis 60 SH-Wellen Frequenz 680 khz EMAT-Frontend-Einheit 9

10 EMUS SAFT-Ergebnisse (neu) Vor-Ort-Ultraschallprüfung T-Fitting 10

11 Mechanisierte Prüfung der Längsschweißnaht Prüfrandbedingungen und Prüfablauf - Mechanisierte Ultraschallprüfung, verschiedenen Sonden und Frequenzen - Koppelmittel: Öl - Inspektionswinkel : + 45, -45, 60, -60 (optimale Prüffrequenz: 2 MHz) - Inspektion beidseitig der SW - Datenerfassung und Speicherung - Nachbearbeitung durch das Rekonstruktionsverfahren SAFT ++ für gekrümmte Geometrien - Scan-Index-Auflösung: 0,33 mm x 1 mm 11

12 Prüfsystem Bereich der Schweißnaht Prüfbereich 12

13 Scan Index Fragestellung: Zusammenhängend oder nicht? Number Area X Y Z dx dy Additive Manufacturing 13

14 Additive Manufacturing Rapid Prototyping: seit etwa 25 Jahren in Forschung und Entwicklung Additive Manufacturing (AM) für die Herstellung metallischer Bauteile: seit ca. 10 Jahren Getriebegehäuse Quelle: FIT AG, Lupburg FIT AG 2015 Motorradrahmen Quelle: FIT AG, Lupburg FIT AG

15 Herausforderungen Treibstoffreduktion Gewichtsreduktion Kostenreduktion Herangehensweise Innovatives Design Fast rotating turbine Innovatives Material TiAl-Schaufeln Innovative Produktion Additive Manufacturing 15

16 Boroskop-Auge - erstes MTU-Serienbauteil Plattform mit 16 Boroskop-Augen und Zugproben Additive Manufacturing AM Verfahren und Qualitätssicherung 16

17 Additive Manufacturing NICHT 3D-Drucken Pulverbett-Schweißen ist die am häufigsten eingesetzte Methode für den 3D-Druck metallischer Objekte Selective Laser Melting (SLM) Additive Manufacturing Selective Laser Melting SLM Prinzip 3D-CAD-Modell Metallpulverbett Schicht-für-Schicht-Schmelzen mittels Laser Quelle: Fraunhofer ILT, Aachen 17

18 Selective Laser Melting IN718-Bauteil auf der Plattform Qualitätssicherung der kompletten Prozesskette vorher Pulver Maschine während Prozessparameter Ultraschall-Monitoring Optische Tomographie nachher Metrologie Röntgen & FPI Materialprüfung 18

19 Ultraschall-Monitoring Monitoring-Ansatz Ultraschall-Monitoring während des Herstellungsprozesses Einschallung von der Unterseite der Bauplattform Ziele: Beobachtung/Kontrolle/Detektion der Dynamik des Schichtaufbaus der Interface-Anbindung der lokalen Materialeigenschaften von Eigenspannungen von Porosität nur on-line während des Prozesses möglich! 19

20 Monitoring Set-Up Problem: restriktive Randbedingungen für die Installation zusätzlicher Komponenten im Bauraum, spezifische Umwelt Schematischer Aufbau Versiegelte Installation der HF- und Kontrollkabbel unterhalb der Bauplattform Prüfkopf ist an der Unterseite der Bauplattform fixiert 10 MHz, ¼ Inch, unfokussiert Koppelmittel Sensor angeklebt Ultraschall-Monitoring-System Integration und Test offener Bauraum: Vorbereitungen für den Baujob MTU Aero Engines: Integration und Test des Prüfsystems 20

21 Demo: Baujob und Ultraschallsignale Aufgebauter Testkörper Zylinder mit innenliegendem Fehler: 20 mm Durchmesser 10 mm Höhe Pore (sphärisch, 2 mm Ø) Baujob: 40 μm Schichtdicke 250 Schichten 90 Minuten Bauzeit 21

22 Ergebnisse Auflösung der einzelnen Schweißlage, Aufbau wird kontinuierlich aufgezeichnet Laufzeit Bauzeit 40 µm Ermittlung der lokalen Schallgeschwindigkeit Schallgeschwindigkeit Bauhöhe Echtzeit-Detektion künstlicher Fehler Time A-Scan-Darstellung A*-Scan = Mittelung aller A-Scans des Baujobs - Rauschreduktion - nur statische Objekte werden sichtbar (Interface-Echo, Defekte) Pore 2. IE - Rückwandechos mittel sich weg IE - Pore im A-Scan schlecht sichtbar wg. Ausrichtung des Prüfkopfes 22

23 Off-line Validierung nach Ende des Baujobs Immersionsprüfung: C-Scan 10 MHz, 3 Inch Fokus Fehlerabbildung keine weiteren Anzeigen Metallographie Pore 23

24 Metallographie Halbkugel - Kreisscheibenreflektor Untersuchung des Einflusses der Laser-Leistung auf die Ausbildung der Mikrostruktur 24

25 Testkörper Variation der Laser-Leistung Bauhöhe Laser-Leistung 0 mm 5 mm 285 W (100%) 5 mm 7 mm 150 W (50%) 7 mm 12 mm 285 W (100%) 12 mm 14 mm 75 W (25%) 2 mm 5 mm 2 mm Aufbaurichtung 5 mm B-Bild und Ereignis-Korrelation 100 A-Scans/s * 60 Sekunden * 90 Minuten = A-Scans Bauhöhe Aufbaurichtung Laser-Leistung Bauzeit B-Bild 25

26 Validierung Metallographie Röntgen-CT Untersuchte Proben nach Abtrennung von der Plattform Validierung II 25% starke Porosität (30%) 100% 50% geringe Porosität (3%) 100% B-Bild Laser-Leistung Röntgen-CT-Bild Ultraschall-Online-Detektion von geringer Porosität (< 3%) ist möglich 26

27 Metallographie - ungeätzt Metallographie - ungeätzt 27

28 Validierung III Bezug zu metallographischen und Röntgen-CT Untersuchungsergebnissen Künstliche Fehler: < 3 mm² Porosität (metallo): < 3 % Porosität (Rö-CT): < 100 μm axiale Auflösung in Aufbaurichtung Wie geht es weiter? 28

29 SLM-Testblock mit Halbkugelreflektoren Aufbaurichtung Sensor Smart SLM-Testblock Online-Prüfung permante Messung der Schallgeschwindigkeit /Ermittlung der inkrementellen Schallgeschwindigkeit Rückschlüsse auf lokale Mikroporosität Messung der Ersatzreflektor-Amplituden (Selbstreferenzierung an aktueller Rückwand!) Rückschlüsse auf Homogenität des Gefüges Offline-Prüfung (mit Linear-Array) Sektorscan -> Rückschlüsse auf Anisotropie und Textur Erweiterung: zweiachsiger Testblock -> Rückschlüsse auf volle 3D-Textur 29

30 Zusammenfassung ganzheitlicher Ansatz bei der Schweißnahtprüfung bei hochbelasteten Bauteilen Material, Prüfrandbedingungen, Zuverlässigkeit (POD) Signal- und Datenverarbeitung, Algorithmik (inkl. Simulation) Laser-Schmelzen als neuer Fertigungsprozess Übertragung der Erfahrungen für das Online-Monitoring mit Ultraschall durch die Bauplattform ist machbar Ausblick speziell für AM Ultraschall-Monitoring als Kontroll- und Referenzmethode Charakterisierung der Materialeigenschaften Überwachung mittels Kontrollkörpern Bauraumkontrolle! 30