Moderne Methoden für die zerstörungsfreie Prüfung von Compositebauteilen: 3D-Terahertz-Bildgebung

Transkript

1 Einleitung Moderne Methoden für die zerstörungsfreie Prüfung von Compositebauteilen: 3D-Terahertz-Bildgebung! Einleitung! Grundlagen der 3D-Terahertz-Bildgebung! Lunker und Risse in GFK-Bauteilen! Untersuchung von GFK-Fügeverbindungen! Visualisierung der Faserorientierung in SMC! Untersuchung eines Probekörpers aus Vulkanfiber! Untersuchung von Schäumen und Sandwich-Strukturen! Keramische Anwendungen! Vergleich mit etablierten ZfP-Methoden und Technologieausblick 1

2 Grundlagen der 3D-Terahertz-Bildgebung Was ist THz-Strahlung?! Elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich 0.1 THz - 10 THz! Korrespondierender Wellenlängenbereich (Vakuum) ist 3 mm 0.03 mm! Man sprach lange Zeit von der sogenannten THz-Lücke 2

3 Grundlagen der 3D-Terahertz-Bildgebung Wie wird THz-Strahlung erzeugt?! Laserbasierte Systeme (werden hier nicht weiter betrachtet) durchstimmbar höhere Frequenzen (> 1 THz) möglich! Vollelektronische Systeme kompakt + robust schnell (10 khz) 3

4 Grundlagen der 3D-Terahertz-Bildgebung Wie funktioniert 3D-Terahertz-Bildgebung?! Frequenzmodulierte Quelle (Tx) und kohärenter Empfänger (Rx)! Entfernungsradar in Reflexion: (Tx Rx) ~ d (Entfernung)! Laufzeitbild für jeden Messpunkt! Zusammensetzung dieser Laufzeitbilder ergibt die 3D-THz-Bildgebung 4

5 Grundlagen der 3D-Terahertz-Bildgebung Wie funktioniert 3D-Terahertz-Bildgebung?! Eine Abbildungsoptik führt und fokussiert die THz-Strahlung! 2 Sende- und Empfangseinheiten (100 GHz GHz) integriert! Das 3D-Terahertz-Bild wird zeilenweise aufgebaut und die Prüfzeiten liegen für 200 mm x 300 mm bei ca. 7 Minuten (keine Präparation notwendig) SynViewCompact, Synview GmbH, Bad Homburg 5

6 Grundlagen der 3D-Terahertz-Bildgebung Wie funktioniert 3D-Terahertz-Bildgebung?! Eine mobile Scaneinheit (je nach Ausführung 20 kg - 30 kg Gewicht) kann beliebig im Raum orientiert werden (horizontal, vertikal, auf dem Kopf)! Ein Rechner enthält alle notwendigen Steuerungen SynViewCompact, Synview GmbH, Bad Homburg 6

7 Grundlagen der 3D-Terahertz-Bildgebung Wie funktioniert 3D-Terahertz-Bildgebung?! Eine mobile Scaneinheit (je nach Ausführung 20 kg - 30 kg Gewicht) kann beliebig im Raum orientiert werden (horizontal, vertikal, auf dem Kopf)! Ein Rechner enthält alle notwendigen Steuerungen 7

8 Grundlagen der 3D-Terahertz-Bildgebung Eigenschaften allgemein! THz-Strahlung ist nicht-ionisierend, es ist keine Abschirmung von Menschen notwendig! Es ist kein Kopplungsmedium notwendig (elektromagnetische Strahlung)! Prüfung bei nur einseitigem Zugang zum Bauteil kein Problem!! Portabel und an sehr großen Objekten einsetzbar! Laterale Auflösung 1 mm in Vakuum (0.3 THz)! Schnelle Datenaufnahme (Messkopf) mit bis zu 10 khz! Dielektrische Materialien können durchstrahlt werden (Kunststoff, GFK, Keramik, Papier etc.), elektrische Leiter (Metalle, CFK) und Wasser nicht 8

9 Grundlagen der 3D-Terahertz-Bildgebung Eigenschaften bzgl. Kunststoffen Brechungsindex von Kunststoffen ist im Bereich 0.1 THz THz typisch 1,5-2 Quelle: 9

10 Grundlagen der 3D-Terahertz-Bildgebung Eigenschaften bzgl. Kunststoffen Absorption von Kunststoffen steigt im Bereich 0.1 THz THz um 1-2 Größenordnungen an Typische Eindringtiefe 5 30 mm (0.1 / 0.3 THz) Quelle: 10

11 Lunker und Risse in GFK- Bauteilen! Komplexes SMC-Bauteil 0.3 THz Messung 200 mm x 200 mm Scan Materialdicke 14 mm Schicht ca. 4 mm unterhalb der Oberfläche Erhöhte Reflexion auf einer Fläche von ca. 10 mm x 40 mm alle anderen charakteristischen Strukturen sind geometrisch bedingt 11

12 Lunker und Risse in GFK- Bauteilen! Komplexes SMC-Bauteil Vergleich mit Röntgen-CT Position identisch mit Lunkernest Schicht ca. 4 mm unterhalb der Oberfläche Erhöhte Reflexion auf einer Fläche von ca. 10 mm x 40 mm alle anderen charakteristischen Strukturen sind geometrisch bedingt 12

13 Lunker und Risse in GFK- Bauteilen! Komplexes SMC-Bauteil 0.3 THz Messung 200 mm x 200 mm Scan Materialdicke 14 mm Schicht ca. 7 mm unterhalb der Oberfläche Erhöhte Reflexion auf einer Fläche von ca. 60 mm x 80 mm alle anderen charakteristischen Strukturen sind geometrisch bedingt 13

14 Lunker und Risse in GFK- Bauteilen! Komplexes SMC-Bauteil 0.1 THz Messung 200 mm x 100 mm Scan Materialdicke 14 mm Schicht ca. 7 mm unterhalb der Oberfläche Erhöhte Reflexion auf einer Fläche von ca. 60 mm x 80 mm alle anderen charakteristischen Strukturen sind geometrisch bedingt 14

15 Lunker und Risse in GFK- Bauteilen! Komplexes SMC-Bauteil Schnitt entlang der gelben Linie Vergleich mit Röntgen-CT (senkrechter Schnitt) Flächiger Riss ca. 7 mm unterhalb der Oberfläche Erhöhte Reflexion auf einer Fläche von ca. 60 mm x 80 mm alle anderen charakteristischen Strukturen sind geometrisch bedingt 15

16 Untersuchung von GFK- Fügeverbindungen! U-Profil, Verklebung links 0.3 THz Messung 300 mm x 270 mm Scan Gesamtdicke 12 mm Klebebereich 6 mm unter der Oberfläche Kleine, flächige Pore erkennbar Tiefenprofil (z) Profilposition (y-achse) siehe Bild oben 16

17 Untersuchung von GFK- Fügeverbindungen! U-Profil, Verklebung rechts 0.3 THz Messung 300 mm x 270 mm Scan Gesamtdicke 12 mm Klebebereich 6 mm unter der Oberfläche Flächige Poren deutlich erkennbar Tiefenprofil (z) Profilposition siehe Bild oben 17

18 Untersuchung von GFK- Fügeverbindungen! 1. Probe: GFK-U-Profil, Oberseite, B- und C-Scan 0.1 THz Messung 300 mm x 300 mm Scan Probendicke >11 mm Schicht ca. 13 mm unter der Oberfläche Pore in der Fügeverbindung gut erkennbar Tiefenprofil (z) Signal von der Unterseite Pore (s.o.) gut erkennbar 18

19 Visualisierung der Faserorientierung in SMC! SMC-Platte 0.3 THz Messung 350 mm x 140 mm Scan Materialdicke 6 mm Schicht ca. 3 mm unter der Oberfläche Es gibt eine Zone mit deutlich reduzierten Reflexionen Tiefenprofil Ober- und Unterseite deutlich erkennbar 19

20 Visualisierung der Faserorientierung in SMC! SMC-Platte 0.3 THz Messung 350 mm x 140 mm Scan Materialdicke 6 mm Schicht ca. 3 mm unter der Oberfläche Es gibt eine Zone mit deutlich reduzierten Reflexionen Abweichende Faserorientierung im Bereich der Bindenaht erklärt den Effekt! 20

21 Visualisierung der Faserorientierung in SMC! Glasfaserverstärkter Kunststoff Links: 0.1 THz Messung (Auflösung 1.5 mm) Rechts: 0.3 THz Messung (Auflösung 0.5 mm) 50 mm x 50 mm Scan Materialdicke 3 mm Schicht 1-2 mm unter der Oberfläche Die Bereiche mit und ohne Glasfaseranteil lassen sich klar unterscheiden 21

22 Untersuchung von Schäumen und Sandwich-Strukturen! PUR-Strukturschaum 0.3 THz Messung 220 mm x 200 mm Scan Materialdicke 40 mm Schicht in Höhe der obersten Bohrung Ergebnis ohne Metallunterlage 3 seitlich eingebrachte Bohrungen (Ø 2 mm) sind nicht sichtbar 22

23 Untersuchung von Schäumen und Sandwich-Strukturen! PUR-Strukturschaum 0.3 THz Messung 220 mm x 200 mm Scan Materialdicke 40 mm Schicht oberhalb der Unterlage Ergebnis mit Metallunterlage Alle 3 Bohrungen (Ø 2 mm) sind jetzt sichtbar Struktur gut erklärbar durch Materialverdichtungen 23

24 Untersuchung von Schäumen und Sandwich-Strukturen! B-Scan (100 GHz), Messung von der Oberseite WEA-Rotorblatt-Komponente GFK-Laminat (5 mm) PU-Schaum (30 mm) GFK-Laminat (5 mm) Signale von 4 Grenzflächen: 1.Luft - GFK 2.GFK - Schaum 3.Schaum - GFK 4.GFK - Luft 24

25 Untersuchung von Schäumen und Sandwich-Strukturen! C-Scan (100 GHz), Messung von der Oberseite WEA-Rotorblatt- Komponente 600 mm x 250 mm Scan Schicht ca. 3 mm unter d. Oberfläche (erste GFK-Platte) Faserorientierungen sind gut sichtbar B-Scan Profilposition siehe gestrichelte Linie oben 25

26 Untersuchung von Schäumen und Sandwich-Strukturen! C-Scan (100 GHz), Messung von der Oberseite WEA-Rotorblatt- Komponente 600 mm x 250 mm Scan Schicht ca. 10 mm unter d. Oberfläche (im Schaum) Abstandsstäbchen B-Scan Profilposition siehe gestrichelte Linie oben 26

27 Untersuchung von Schäumen und Sandwich-Strukturen! C-Scan (100 GHz), Messung von der Oberseite WEA-Rotorblatt- Komponente 600 mm x 250 mm Scan Schicht ca. 35 mm unter d. Oberfläche (Grenzfläche Schaum-GFK) Benetzungsfehler: Ø ca. 20 mm B-Scan Profilposition siehe gestrichelte Linie oben 27

28 Untersuchung von Schäumen und Sandwich-Strukturen! B-Scan (100 GHz), Messung von der Oberseite Röntgen-CT (Grenzflächen-Schicht) Vergrößerung des Benetzungsfehlers Ein Vergleich mit der entsprechenden Grenzflächenschicht einer hochauflösenden Röntgen-CT zeigt Übereinstimmung bzgl. Position und Größe des Benetzungsfehlers. 28

29 Untersuchung von Schäumen und Sandwich-Strukturen Erfahrungen an WEA-Rotorblättern! Starke Dämpfung im Material (GFK-Laminat) und komplexe Reflexionssignale erschweren die Sichtbarkeit von Fehlstellen! Der Nachweis von Fehlstellen ist bis in eine Tiefe von ca. 30 mm möglich! Untersucht werden können Ondulationen, Poren, Delaminationen, Kleberverläufe, die Position von Sandwich-Elementen, Steganbindungen,...! Im Vergleich zur Thermografie wird eine deutlich größere Eindringtiefe erreicht! Im Vergleich zum Ultraschall können sehr einfach 3D-Untersuchungen mit hoher Auflösung durchgeführt werden 29

30 Keramische Anwendungen WHIPOX : Wound highly porous oxide composite (DLR Cologne + DLR Stuttgart) (S. Becker, T. Ullmann, G. Busse: 3D Terahertz Imaging of Hidden Defects in Oxide Fibre Reinforced Ceramic Composites, published on Proc. 4th Int. Symp. for NDT in Aerospace, 2012)! Innovative all-oxide fiber-reinforced ceramic matrix composite for high-temperature applications.! Transparency for radio signals.! Panels as part of the TPS system of the SHEFEX II reentry vehicle! e. g. burning chambers of turbines will be designed with new highly damage-tolerant and corrosion-resistant high-temperature ceramic matrix composites. Uncoated white material Orientation of oxide fibers 30

31 Keramische Anwendungen! C-Scan (100 GHz) WHIPOX sample W mm thick 400 mm x 200 mm Scan Upper surface signal Variation due to surface structure B-Scan Upper surface Internal defects Backside surface 31

32 Keramische Anwendungen! C-Scan (100 GHz) WHIPOX sample W mm thick 400 mm x 200 mm Scan Layer appr. 2.5 mm below the upper surface Defect area B-Scan Upper surface Internal defects Backside surface 32

33 Keramische Anwendungen! C-Scan (100 GHz) WHIPOX sample W mm thick 400 mm x 200 mm Scan Layer appr. 5.5 mm below the upper surface Defect area B-Scan Upper surface Internal defects Backside surface 33

34 Keramische Anwendungen! C-Scan (100 GHz) WHIPOX sample W mm thick 400 mm x 200 mm Scan Layer appr. 5.5 mm below the upper surface Inherent porosity B-Scan Upper surface Internal defects Backside surface 34

35 Keramische Anwendungen! C-Scan (300 GHz) WHIPOX sample W mm thick 600 mm x 250 mm Scan Upper surface signal Fiber orientation clearly visible B-Scan Upper surface Backside surface 35

36 Keramische Anwendungen! C-Scan (300 GHz) WHIPOX sample W mm thick 600 mm x 250 mm Scan Layer appr. 1.5 mm below upper surface Small defects (porosity) B-Scan Upper surface Internal defects Backside surface 36

37 Keramische Anwendungen! C-Scan (300 GHz) WHIPOX sample W mm thick 600 mm x 250 mm Scan Layer appr. 1.5 mm below upper surface Minor porosity at fiber cross-over pos. B-Scan Upper surface Backside surface 37

38 Keramische Anwendungen! Terahertz C-Scan (100 GHz) of sample W1289 (10 mm thick), layer 2.5 mm below surface Ultrasound (air-coupled, transmission) DELAMINATION AREA A comparison with air-coupled ultrasound performed in transmission and also X-ray CT data shows a delamination area identical in position in size. 38

39 Keramische Anwendungen! Terahertz C-Scan (100 GHz) of sample W1289 (10 mm thick), layer 2.5 mm below surface Ultrasound (air-coupled, transmission) DESTRUCTIVE TESTING EFFECTIVE INSPECTION METHOD Defects as shown above are significantly decreasing the mechanical stability. The generated 3D terahertz results clearly demonstrate the capability of the new method to efficiently detect the relevant defects in WHIPOX. 39

40 Keramische Anwendungen A! Konstruktiver Aufbau der Kühldose B Aufsicht 115 mm x 100 mm Ein- und Auslaß Innere Struktur zur Verbesserung der Kühlung Schnitt A-B Dicke 15 mm Obere und untere Hälfte werden miteinander verlötet 40

41 Keramische Anwendungen! Konstruktiver Aufbau der Kühldose Material AlN: Aluminiumnitrid Dichte: 3,26 g/cm³ Brechungsindex: 2,9 Wärmeleitfähigkeit: W/mK Schmelzpunkt: 2150 C 41

42 Keramische Anwendungen! C-Scan, Laufzeitschicht Oberseite (außen) 0.3 THz Messung Laufzeitschicht Oberseite Zentrale Senkung, Durchmesser 3 mm 42

43 Keramische Anwendungen! C-Scan, Laufzeitschicht Ein- und Auslass 0.3 THz Messung Ein- und Auslass Durchmesser wird nicht voll erfasst! 43

44 Keramische Anwendungen! C-Scan, Laufzeitschicht Oberseite (innen) 0.3 THz Messung Oberseite (innen) 44

45 Keramische Anwendungen! C-Scan, Laufzeitschicht Lotebene 0.3 THz Messung Lotebene Poren in der Lotebene sind sehr gut zu erkennen! 45

46 Keramische Anwendungen! C-Scan, Laufzeitschicht Lotebene, Vergleich mit Röntgen-CT Röntgen-CT Unter Berücksichtigung des Auflösungsunterschiedes: Sehr gute Übereinstimmung! 46

47 Vergleich mit etablierten ZfP-Verfahren 3D-Terahertz-Bildgebung an Compositebauteilen - im Vergleich zum Ultraschall PLUS:! Einfache Handhabung und kontaktloses Verfahren (keine Präparation der Proben/Bauteile)! Schäume, Hohlstrukturen und Sandwichstrukturen können vergleichsweise gut untersucht werden NEUTRAL:! wettbewerbsfähige Auflösung MINUS:! kann nur bei dielektrischen Materialien eingesetzt werden (Metalle und CFK reflektieren Terahertzstrahlung, Wasser absorbiert) 47

48 Vergleich mit etablierten ZfP-Verfahren 3D-Terahertz-Bildgebung an Compositebauteilen - im Vergleich zur Thermografie PLUS:! geringere Dämpfung im Material, d.h. größere Eindringtiefe! Schäume, Hohlstrukturen und Sandwichstrukturen können vergleichsweise gut untersucht werden NEUTRAL:! wettbewerbsfähige Auflösung MINUS:! kann nur bei dielektrischen Materialien eingesetzt werden (Metalle und CFK reflektieren Terahertzstrahlung, Wasser absorbiert) 48

49 Vergleich mit etablierten ZfP-Verfahren 3D-Terahertz-Bildgebung an Compositebauteilen - im Vergleich zur Röntgen-Durchstrahlungsprüfung PLUS:! einfache Handhabung, keine Abschirmung! auch bei nur einseitigem Zugang zum Bauteil einsetzbar! 3D-Verfahren! MINUS:! Auflösung deutlich schlechter! kann nur bei dielektrischen Materialien eingesetzt werden (Metalle und CFK reflektieren Terahertzstrahlung, Wasser absorbiert) 49

50 Vergleich mit etablierten ZfP-Verfahren 3D-Terahertz-Bildgebung an Compositebauteilen - im Vergleich zur Röntgen-CT PLUS:! einfache Handhabung, keine Abschirmung! auch bei nur einseitigem Zugang zum Bauteil einsetzbar! auch Bauteile > 1m können problemlos untersucht werden MINUS:! Auflösung an Bauteilen < 0.5 m deutlich schlechter! kann nur bei dielektrischen Materialien eingesetzt werden (Metalle und CFK reflektieren Terahertzstrahlung, Wasser absorbiert) 50

51 Technologieausblick Das Potential der vollelektronischen 3D-THz-Bildgebung! Erhöhung der Bandbreite (erhöht die Tiefenauflösung und verbessert so die Erkennbarkeit von Defekten)! portable 3D-THz-Bildgebungssysteme (das SynViewCompact ist das erste dieser Art)! Phased Array Lösungen bieten schnellere Inspektion mit potentiell höherer Qualität (siehe Ultraschall)! automatisierte Lösungen (Roboter, fertigungsintegriert) 51

52 Technologieausblick Das Potential der vollelektronischen 3D-THz-Bildgebung! Demonstration einer roboter-basierten Lösung auf der Control 2011* * microspace Messtechnik GmbH, Chemnitz 52

53 Kontakt Becker Photonik GmbH Dr. Stefan Becker Portastrasse 73 (im BusinessCenter Porta Westfalica) D Porta Westfalica Telefon: Mobil: