USPC ein neues Prüfsystem für Health- Monitoring und bildgebende Ultraschallprüftechnik

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1 DGZfP-Jahrestagung Vortrag 03 USPC ein neues Prüfsystem für Health- Monitoring und bildgebende Ultraschallprüftechnik Lutz BÜHLING, Wolfgang HILLGER, Detlef ILSE, Ing.-Büro Dr. Hillger, Braunschweig Kurzfassung. Structural Health-Monitoring (SHM) mit Acousto-Ultraschall (Lamb- Wellen) verspricht ein preiswertes in-service-prüfverfahren zu werden. Fest installierte Aktuatoren und Sensoren dienen hierbei zum Senden und Empfangen von Lamb-Wellen, die sich großflächig über das Bauteil ausbreiten. Aufgrund des gleichzeitigen Auftretens von mindestens zwei Moden (symmetrisch und asymmetrisch) und Reflexionen (von den Rändern) und von Strukturveränderungen (Dickenschwankungen, Versteifungen) sind die Empfangssignale trotz schmalbandiger Anregung sehr komplex und damit schwierig auszuwerten. Ein Praxiseinsatz z. B. für CFK-Flugzeug-Komponenten erfordert daher noch viel Forschungsarbeit. Hierfür wurde das USPC 5000 entwickelt. Es besteht neben einem tragbaren aus einer achtkanaligen Sende- und Empfangseinheit mit robusten BNC-Anschlussbuchsen. Die für Bildgebung bewährte Software Hillgus für Windows steuert automatisch 64 Prüftakte. Die Verstärkung ist in 0,1 db-stufen und für jeden Takt separat wählbar. Der Frequenzbereich liegt zwischen 1 khz und 2,5 MHz (-3 db). Der eingebaute 14 bit ADC liefert eine Dynamik von > 60 db und eine zeitliche Auflösung von 100 ns. Vor der Digitalisierung kommen Hardware- Hoch- und Tiefpassfilter zum Einsatz. Zur weiteren Erhöhung des Signalrauschabstands sind Mittelungen über mehrere 100 A-Bilder möglich. Außerdem verfügt das System über Referenzsignalfunktionen, die nur die Signaländerungen darstellen, die z.b. durch Schlagschäden verursacht wurden. Weitere Auswertemöglichkeiten bieten die eingebaute FFT- und sehr flexibel einsetzbare Software-Filter. Die offene Dateistruktur bietet dem Anwender die Möglichkeit, eigene Auswerteroutinen zu implementieren. Eine sehr hilfreiche Methode, die Ausbreitung der Lamb-Wellen und deren Interaktion mit Fehlstellen zu veranschaulichen, bietet die bildgebende Ultraschallprüftechnik, die ebenfalls im neuen USPC 5000 integriert ist. Daher lassen sich z.b. die Größe und Lage von Schäden als Referenz zu den SHM- Messungen ermitteln. 1. Einführung Die Fa. Dr. Hillger entwickelt und fertigt spezielle Ultraschallprüfsysteme für Qualitätssicherung, Werkstoffforschung und Entwicklung [1]. Sie wurde 1984 gegründet und entwickelt und fertigt seit 1989 bildgebende Ultraschallprüfsysteme mit bis zu 120 MHz Bandbreite [2]. Das Airtech 4000 war 1998 das erste in Deutschland entwickelte und gefertigte bildgebende Prüfsystem mit Luftankopplung [3]. Die Firma besitzt 12 Jahre Erfahrung bezüglich Ultraschall-PC-Karten [4]. Seit 2003 können Ultraschallsignale mit bis zu 16 Bit Auflösung während des Scannens digitalisiert und als full-wave A-scans gespeichert werden. Per Software lassen sich anschließend A-, B-, C- und D- Bilder berechnen und aufbereiten. Dabei ist bei unterschiedlich dicken Bauteilen eine automatische Blendenpositionierung möglich. Da das Datenformat offen gelegt ist, kann 1

2 der Kunde auf Wunsch eigene Auswertungen implementieren. Im letzten Jahr wurde eine über USB steuerbare Ultraschall-Sender-Empfänger-Technik entwickelt. In diesem Jahr wurden Software-Hoch- und Tiefpassfilter für die on-line Auswertung als auch für die nachträgliche Auswertung implementiert. Wir arbeiten in folgenden Geschäftsfeldern: Bildgebende Ultraschallprüftechnik Anzeige innen liegender Fehlstellen mit hohem Aussagewert [5] Hochfrequenz-Ultraschall (bis 120 MHz): HFUS 2000, elektrische Kontakte, Keramik [2] Niederfrequenz-Ultraschall (20 khz bis 1 MHz) : USPC 3041: Betonprüfung, I/E-Technik mit 70 khz [6] Ankopplung über Luft: USPC 4000 AirTech, Beton, Holz, Beton, dicke Composite, Sandwich- Bauteile [7,8] Structural Health Monitoring (SHM) mit geführten Wellen: USPC 5000-ein neues achtkanaliges Health Monitoring System Der neue Bereich SHM ist Gegenstand dieses Berichts. 2. SHM mit Acousto Ultraschall Lamb-Wellen sind Plattenwellen [9], die sich leicht mit Piezo-Schwingern anregen lassen, sich großflächig ausbreiten und sich wiederum mit Piezo-Schwinger empfangen lassen. Daher besteht die Absicht, diese zur Anzeige von verdeckten Fehlern einsetzen zu können, wobei im Gegensatz zur Ultraschallprüfung ein zeitaufwändiges Scannen nicht notwendig ist [9]. Allerdings treten selbst bei einer Frequenz mindestens zwei Moden auf, die dispersiv sind. Das Dispersionsdiagramm (Bild 1) [10] stellt diesen Sachverhalt anschaulich dar. Damit möglichst wenige Wellenmoden auftreten (a 0 und s 0 ), ist es sinnvoll, niedrige Frequenzen mit einem schmalen Frequenzspektrum zu verwenden. Die Mechanismen an Fehlstellen sind sehr komplex und schwer vorherzusagen, zum Beispiel können dort Wellenumwandlungen auftreten. Ferner gibt es von allen Bauteilrändern Reflexionen. Die Empfangssignale sind deshalb im Gegensatz zur denen der klassischen Ultraschallprüftechnik sehr viel schwerer zu interpretieren. Für einen Praxiseinsatz ist deshalb noch erhebliche Forschungsarbeit notwendig. Sehr hilfreich für deren Interpretation ist die Visualisierung der Ausbreitung [11]. Ein vorhandenes Ultraschallprüfgerät lässt sich daher nur selten für SHM erfolgreich einsetzen, schon deshalb weil der untere Frequenzbereich auf etwa 500 khz begrenzt ist [10]. Für SHM ist ein Bereich von 10 khz bis 2 MHz sinnvoll. Wir haben deshalb hierfür den USPC 5000 entwickelt. 3. Der USPC 5000 Der USPC 5000 wurde speziell für die Forschung und Entwicklung von SHM mit Acousto Ultraschall entwickelt und enthält acht Sende und acht Empfangskanäle (Bild 2). Die Sende-/Empfangseinheit befindet sich von dem eigentlichen System abgesetzt in einer separaten Box. Die Anschlüsse für die Piezo-Schwinger sind als BNC- Buchsen ausgeführt, damit sich die Anschlusskabel hierfür sehr leicht selbst konfektionieren lassen. 2

3 Der Sender liefert bipolare Impulse, im einfachsten Fall ein Burst-Signal, wobei sich die die Mittenfrequenz und die Anzahl direkt über das Einstellfenster justieren lassen. Spezielle Sendeimpulsdateien lassen sich selbst generieren, speichern und laden, wobei der eingebaute Arbitrary-Generator die Umsetzung in elektrische Impulse ausführt. Bild 1: Dispersionsdiagramm Bild 2: Stringerversteiftes CFK-Panel (Airbus) mit applizierten Piezoelementen zum Senden und Empfangen von Lamb-Wellen Im Empfänger werden ultra-rauscharme Eingangsverstärker verwendet. Die Bandbreite reicht von 1 khz bis 2,5 MHz. Sie kann durch vier Hoch- und vier Tiefpassfilter den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Die Verstärkung kann in 0,1 db-stufen von 0 bis 50 db eingestellt werden. Zur Analog-/Digitalwandung kommt ein 14bit ADC zum Einsatz. Daher kann eine Dynamik in den A-Bildern größer als 80 db erreicht werden. Verrauschte und gestörte Empfangssignale lassen sich durch Signalmittelung verbessern. Jeder der acht Sendekanäle kann mit den acht Empfangskanälen ausgewertet werden, so dass sich 64 Takte ergeben. 3

4 Der eingebaute PC steht nicht nur für das Ultraschallsystem zur Verfügung, sondern auch für alle Auswerte- und Dokumentationsmöglichkeiten bereit. Er verfügt über eine große Festplatte, einem TFT-Display, DVD-Brenner und den üblichen Schnittstellen wie z.b. USB, Netzwerk usw.. Bild 3: USPC 5000 Portabel mit externer 8-kanaliger Sende- und Empfangseinheit Bild 4: Oberfläche der Software Hillgus für Windows Die in unserem Haus entwickelte Software Hillgus für Windows (Bild 4) zeichnet sich durch einfache Bedienung aus und ist modular aufgebaut. Sie hat eine große A-BildAnzeige, die für eine gleichzeitige FFT-Anzeige halbiert werden kann. Unter dieser Anzeige sind Karteikarten angeordnet, die zur Einstellung der Blenden, des A-Bildes, FFT, 4

5 Software-Filter sowie des Senders und des Empfängers dienen. Unten in der Mitte befindet sich die Sende-Empfangsmatrix, wo die 64 Takte übersichtlich angeordnet sind und direkt mit der Maus ausgewählt werden können. Rechts unten befinden sich die konfigurierbaren Anzeigen für Amplituden- und Laufzeiten, die in drei Blenden gemessen werden können. Analog zu Ultraschallprüfungen in Tauchtechnik, wo mit Eintrittsecho-Triggerung gearbeitet wird, kann auch auf das erste Lamb-Wellen-Empfangssignal getriggert und automatisch eine Blende zur Amplitudenauswertung gesetzt werden. Neben den in Bild 4 gezeigten Justiermodus gibt es noch den Prüfmodus, wo ein automatischer Datenlogger zur Verfügung steht. Dieser führt in einstellbaren Zeitintervallen eine automatische Prüfung durch und speichert die A-Bilder aller 64 Takte. Dadurch können Bauteile mit applizierten Piezoelementen im Betrieb überwacht werden. Jeweils nach Abschluss einer Messung werden die 64 Takte als quasi- B-Bild dargestellt, so dass der Benutzer eine Kontrolle über die gespeicherten Messdaten gewinnt und z.b. Takte mit fehlenden Daten infolge defekter Kabel leicht identifizieren kann. Der USPC 5000 ist leicht zu einem bildgebenden Ultraschallprüfsystem (A-, B-, C-, D- und F- Bilder) aufrüstbar, wobei z.b. der Motor-Controller für die MUSE (Mobile Ultraschall-Einrichtung) mit in das System integriert werden kann. Die Ultraschallprüftechnik kann einerseits als komplementäres Verfahren zum SHM benutzt werden, andererseits wie weiter unten ausgeführt wird, auch zur Visualisierung der Lamb- Wellenausbreitung eingesetzt werden. Der Volumen-Dateneinzug gestattet auch die Berechnung von Video-Animationen der Wellenausbreitung. Bild 5: A-Bilder geführter Wellen, aufgenommen an einem stringerversteiften CFK-Panel (Bild 2), oben rechts: breitbandiges Empfangssignal unten links: SB- gefiltertes Empfangssignal unten rechts: SB- gefiltertes Empfangssignal bei Fehlstelle 4. Anwendungsbeispiele Um möglichst wenig Moden zu erhalten, verwenden viele Autoren zur Anregung einen schmalbandigen Sendeimpuls. Es ist jedoch auch möglich, einen breitbandigen Impuls zu verwenden und empfangsseitig ein Schmalbandfilter. Dieses Verfahren hat den Vorteil, aus 5

6 den gespeicherten Daten nachträglich die Frequenz zu optimieren [12]. Beispielhaft zeigt Bild 5 drei Lamb-Wellen A-Bilder, die an dem in Bild 2 gezeigtem stringerversteiften Panel aufgenommen wurden. Oben rechts ist das ungefilterte (breitbandige) Empfangssignal, aus dem sich mit einfachen Amplituden und Laufzeitauswertungen keine Fehlstellen anzeigen lassen. Verwendet man jedoch einen Hoch- und Tiefpassfilter, so dass nur Frequenzen um 50 khz ausgewertet werden, so entstehen die unteren A-Bilder. Das A- Bild unten links stammt von einem Schallweg ohne Fehlstelle, das unten rechts mit Fehlstelle (Reparatur). Bemerkenswert ist, dass das Signal in der ersten Blende sich trotz Fehlstelle kaum verändert (s 0 -Mode?), jedoch das in der zweiten Blende (a 0 -Mode?) bereits mit einer einfachen Amplitudenmessung eine Aussage über eine Fehlstelle ermöglicht. Bild 6: Visualisierung der Wellenausbreitung, oben C-Bild, unten: D-Bild Bild 6 zeigt jeweils ein C- (oben) und ein D-Bild (unten) der Wellenausbreitung in einer 5 mm dicken CFK-Platte mit einer durch Impact erzeugten Delamination dar. Zur Datenaufnahme wurde ein appliziertes Piezoelement links im Bild zur Anregung benutzt. Ein 200 khz-prüfkopf mit Ankopplung über Luft (AirTech 200) diente als Empfänger und wurde mit einem Manipulator (MUSE) mäanderförmig über das Bauteil bewegt. Aus dem eingescannten Volumendatensatz wurden die beiden Befunde berechnet. Das C- Bild stellt die Amplitudenverteilung dar. Deutlich zu sehen ist die zirkulare Ausbreitung um den Sender, ein durch die Delamination hervorgerufenes, lokales Amplitudenminimum und das durch die Delamination und Randreflexionen hervorgerufene Interferenzfeld in der rechten Probenhälfte. Das D-Bild zeigt die runde Delamination durch eine höhere Laufzeit an. Der kleine Bereich mit erhöhter Laufzeit rechts von der Delamination wird bald wieder durch die Interferenzen gestört. Bei Proben mit kleinen Abmessungen gestaltet sich dadurch der Schadensnachweis mit Lamb-Wellen sehr schwierig. 6

7 5. Zusammenfassung Die Fa. Dr. Hillger entwickelt und fertigt spezielle modulare Ultraschallprüfsysteme. Der USPC 5000 wurde speziell für Forschung und Entwicklung von SHM mit geführten Wellen entwickelt. Er enthält eine achtkanalige Sende- und Empfangseinheit, wobei 64 Prüftakte möglich sind. Das Gerät verfügt über einen programmierbaren Sender, so dass spezielle Sendeimpulse erzeugt werden können. Empfangsseitig wird das Signal über Hardware- Hoch- und Tiefpassfilter auf einen 14 Bit ADC gegeben. Die Dynamik beträgt bis zu 70 db aus einem Schuss und kann durch Mittelung weiter erhöht werden. Zusätzlich Software- Hoch- und Tiefpassfilter erlauben speziell bei breitbandigen Sendeimpulsen eine nachtägliche Frequenzoptimierung der gespeicherten Daten. Die ebenfalls im eigenen Haus entwickelte Software Hillgus für Windows erlaubt eine einfache Bedienung durch übersichtliche Menüs. Durch den Datenlogger ist eine vollautomatische Betriebsüberwachung von Bauteilen nach einstellbaren Zeitintervallen möglich. Es werden beispielhaft zwei Anwendungen demonstriert: Die Lamb- Wellenprüfung eines CFK-Panels und die Visualisierung der Lamb- Wellenausbreitung in einer CFK- Probe mit Delamination. 6. Referenzen [1] L. Bühling, W. Hillger, D Ilse: Modulare Ultraschallprüfsysteme für Forschung, Entwicklung und Qualitätssicherung, DGZfP-Jahrestagung Rostock, 2005, Vortrag 1, DGZfP- Berichtsband CD 94- [2] Hillger, W.: Schadensanalyse an modernen Werkstoffen mit Hilfe eines neu entwickelten Ultraschallprüfsystems HFUS 2000, Kolloquium "Qualitätssicherung durch Werkstoffprüfung", Zwickau, , DGZfP-Berichtsband 26, S [3] Hillger, W., Gebhardt, W.; Dietz, M.; May, B. : Ultraschallprüfungen berührungslos mit Ankopplung über Luft- Illusion oder schon bald Realität?,DGZfP- Jahrestagung 1998, Berichtsband 63.1, S [4] Hillger, W.: Ultrasonic PC-boards for different applications, 7th European Conference on Non- Destructive Testing, Copenhagen, May 1998, Conf. Proc., pp [5] Hillger, W.: Bildgebende Ultraschallprüftechnik an Composites im Labor und vor Ort- von ebenen Platten bis zu komplexen Bauteilen, DACH-Tagung 1996, DGZfP-Berichtsband 52.1, S [6] Hillger, W.: Inspection of concrete by ultrasonic pulse-echo-technique, 6th European Conference on Non Destructive Testing, Conference proc. part 2, (1994) pp [7] W. Hillger: Imaging of Defects in Concrete Components with Non-Contact Ultrasonic Testing, 16th World Conference on NDT, , Montréal, Canada, Conf. Proc..on CD. [8] W. Hillger, R. Meier, R. Henrich: Inspection of CFRP components by ultrasonic imaging with air coupling, Insight Vol. 46, No. 3 March 2004, pp [9] W. Hillger,:Lamb-Wellen zur Schadensanzeige in faserverstärkten Kunststoffen, DGZfP-Berichtsband 94-CD DGZfP-Jahrestagung, Mai 2005, Rostock, Plakat 12 [10] 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. [11] W. Hillger: Untersuchungen an der Tail Unit eines Helikopters mit geführten Wellen, DGZfP- Jahrestagung 2007, Fürth, DGZfP- Berichtsband auf CD in Vorbereitung 7