Durchblick dank Wärme

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1 DEEN NNOVATION W CHSTUM Die Hightech-Strategie für Deutschland Forschungsprojekt Optimierung von NDT-Verfahren für Faserverbundwerkstoffe Durchblick dank Wärme Sicherheit in der Schadenserkennung mittels Thermografie Die Bedeutung und der Einsatz von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) in der Luftfahrtindustrie werden deutlich zunehmen. Deshalb sind zuverlässige und effiziente Prüfverfahren zur Schadenserkennung und -bewertung notwendig. Das Projekt Optimierung von NDT-Verfahren für Faserverbundwerkstoffe nimmt sich dieser Herausforderung an. Verbesserte NDT-Verfahren für neue Materialien Die neue Generation von Passagierflugzeugen besteht überwiegend aus modernen und leistungsfähigen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Diese verfügen über eine deutlich höhere Festigkeit und Steifigkeit als Leichtmetalle, wie beispielsweise Aluminium, und sind viel leichter, was eine spürbare Reduzierung des Kerosinverbrauchs und somit der CO2-Emission verspricht. Um den hohen Sicherheitsstandards in der Luftfahrt gerecht werden zu können, bedarf es für die Materialkontrolle im laufenden Flugbetrieb genauerer Verfahren. Vor allem der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (Non-Destructive Testing = NDT) kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu. NDT-Verfahren erlauben die genaue Analyse eines Werkstücks bzw. der Flugzeugstruktur, ohne dabei das Material selbst zu beschädigen. Zu den oberflächenorientierten Verfahren gehört die Infrarotthermografie (IRT), ein wärmebildgebendes Verfahren, bei dem mittels hochauflösender Infrarotkameras verborgene Defekte sichtbar gemacht und erkannt werden können. Zerstörungsfreie Prüfverfahren werden vor allem bei der Untersuchung von Flugzeugstrukturkomponenten aus Metall angewendet. Bei Strukturkomponenten aus Verbundwerkstoffen stellt die Anwendung dieser Verfahren jedoch aufgrund der Komplexität von Material und potenziellen Schadensfällen nach wie vor eine große Herausforderung dar: So gab es bis zuletzt kein effizientes Verfahren zur vollständigen und verlässlichen

2 Prüfverfahren auf Basis aktiver Thermografie Abbildung 1: Mobiler Einsatz des thermografischen Messverfahrens am Seitenleitwerk eines Lufthansa Flugzeugs Untersuchung von Strukturen aus Verbundwerkstoffen in der Größenordnung und Vielfalt, wie sie bei modernen Verkehrsflugzeugen zum Einsatz kommen. Diese sind auch im Hinblick auf die Instandhaltung der Flugzeuge essenziell. Lufthansa Technik hat zusammen mit dem Unternehmen AT Automation Technology GmbH und den Instituten für Kunststoffe und Verbundwerkstoffe, Nachrichtentechnik sowie Modellierung und Berechnung der Technischen Universität Hamburg- Harburg an der Optimierung von NDT-Verfahren für Faserverbundwerkstoffe geforscht. Das Ziel des Vorhabens ist es, die Leistungsgrenzen moderner zerstörungsfreier Prüfverfahren auf Basis aktiver Thermografie im Einsatz von Flugzeugherstellern und Wartungsunternehmen zu verstehen und zu erweitern. Dadurch soll die Zuverlässigkeit in der Schadenserkennung sowie die Effizienz der Prüfverfahren im operativen Einsatz weiter gesteigert werden. Abbildung 2: Funktionsweise der aktiven Thermografie

3 Bei der aktiven (Wärmefluss-)Thermografie wird die Oberfläche der Messobjekte durch einen kurzen Wärmeimpuls einer Wärmequelle (z. B. Halogenlampe) erhitzt. Danach wandert die Wärme von der Oberfläche ins Innere des Materials. Sofern sich Störungen bzw. Fehlerbereiche mit geringerer Wärmeleitfähigkeit unter der Oberfläche befinden, wird der Wärmetransport behindert. Die Oberfläche über diesen schadhaften Bereichen bleibt länger warm, sodass durch Infrarotkameras die Temperaturunterschiede deutlich sichtbar gemacht werden können. Im Falle von Faserverbundwerkstoffen lassen sich mit dieser Technologie nicht nur Defekte innerhalb des Materials detektieren, sondern beispielsweise auch Ablösungen struktureller Verstärkungselemente (sogenannte Stringer) von den Hautfeldern des Flugzeugs. Letztere sind Folge eines sogenannten blunt impact-schadens, bei dem ein stumpfer Körper mit niedriger Geschwindigkeit die Flugzeugstruktur von außen eindrückt, zum Beispiel ein Catering-Fahrzeug. Selbst wenn äußerlich kein Schaden sichtbar ist, kann die Struktur im Inneren signifikante Beschädigungen durch Ablösung der Stringer aufweisen. Insbesondere bei kleinen Wandstärken der Hautfelder sind diese Ablösungen im Thermografiebild gut zu erkennen, da in den Bereichen der Ablösung der Wärmetransport unterbrochen oder stark behindert ist. Die aktive Thermografie bietet aber noch viele weitere Vorteile: So lassen sich mit diesem Verfahren standardmäßig relativ große Flächen in einem Messvorgang prüfen (0,25-0,5 m 2 ). Durch die geeignete Wahl von Größe und Leistungsfähigkeit der Wärmequelle sowie von Größe, Auflösung und Empfindlichkeit der Infrarotkamera ist das Verfahren über einen großen Bereich beliebig skalierbar und kann sowohl in den entsprechenden Werkstätten als auch mittels mobiler Einheiten, beispielsweise direkt am Flugzeugrumpf, eingesetzt werden. Abbildung 3: CFK-Skinpanel mit Stringerablösung Vielschichtige Ansätze für ein besseres Verständnis der Schadensdetektion Das Forschungsvorhaben widmet sich mehreren Themengebieten: zum einen der Optimierung der Messtechnik zur Untersuchung großer Flugzeugstrukturkomponenten aus CFK-Material zur Verbesserung der Handhabung, der Erhöhung der Verfahrensrobustheit sowie der Steigerung der Leistungsfähigkeit und der Effizienz des Verfahrens, zum anderen der Ermittlung der Einsatzgrenzen des Verfahrens. Dabei sollen neben der maximal handhabbaren Materialstärke und dem Einfluss der Komplexität des Strukturbauteils auf die Schadensdetektion auch äußere Einflussfaktoren, wie die Außentemperatur oder die Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils, untersucht werden. Darüber hinaus fokussiert sich das Projekt auf die Automatisierung der Schadenserkennung zur Ableitung und zum Einsatz numerischer Algorithmen. Durch eine geeignete Weiterverarbeitung der Messdaten lassen sich Schäden automatisch detektieren und darüber hinaus Detailinformationen zu Schäden gewinnen. Außerdem widmet sich das Forschungsvorhaben der numerischen Simulation des Messvorgangs mittels Finiter-Element-Methode (FEM). Mit ihrer Hilfe soll ein besseres Verständnis der Messphysik erzielt werden. So lassen sich beispielsweise mit einem sorgfältig validierten und

4 kalibrierten numerischen Verfahren auch Messungen simulieren, die in der Realität nur sehr aufwändig durchzuführen wären. Die Ergebnisse können sich bereits sehen lassen In Zusammenarbeit mit Airbus wurde auf Basis von Zwischenergebnissen des Vorhabens bereits ein Messwerkzeug abgeleitet, das es ermöglicht, Reparaturen an Ruderflächen effizient zu detektieren und damit systematisch zu dokumentieren. Dieses Werkzeug wurde von Airbus für eine in naher Zukunft von den Luftfahrtbehörden geforderte Untersuchung zugelassen und erlaubt es auch qualifizierten Wartungs- und Überholungsbetrieben, diese Arbeiten vorzunehmen.hinsichtlich der Einsatzgrenzen des Verfahrens konnte eine Tiefenreichweite von bis zu vier Millimetern nachgewiesen werden. Mit dieser Eindringtiefe ließen sich bereits etwa 80 Prozent des Rumpfes einer Boeing 787 untersuchen. Weitere Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Tiefenreichweite durch den Einsatz von Ultraschallanregung anstelle thermischer Anregung deutlich erhöht werden kann. Für die Automatisierung der Schadenserkennung wurde eine zweistufige Vorgehensweise gewählt. In der sogenannten Merkmalsextraktion werden für die Messhistorie jedes aufgenommenen Bildpunkts charakteristische Merkmale ermittelt. In der Detektion erfolgt dann ein Vergleich der Merkmale eines jeden Bildpunkts mit einem sogenannten Trainingsdatensatz aus dem fehlerfreien Bereich der Messung. Anhand der Vergleichsergebnisse lässt sich entscheiden, ob der Bildpunkt einer Fehlstelle zugeordnet werden kann oder sich im fehlerfreien Bereich befindet. Durch einen nachgeschalteten Clusterung-Algorithmus unter Nutzung von Bildsegmentierung lassen sich abschließend fest umrissene Schadensbereiche ermitteln. Bei der numerischen Simulation des Messvorgangs konnte das Modell zur Wärme- ausbreitung bereits vollständig in die Programmiersprache MATLAB implementiert werden. Für die Lösung der Gleichungen im transienten Bereich erwiesen sich implizite Verfahren als vorteilhaft. Zur Simulation größerer und komplexerer Problemfälle wurde auf kommerzielle Software wie Nastran/Patran und Ansys zurückgegriffen. Anhand einfacher Testfälle konnte der numerische Ansatz validiert werden, sodass detaillierte Einblicke in die Messphysik gewonnen werden konnten. Kooperative Spitzencluster-Forschung bewährt sich Das im November 2009 begonnene und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützte Projekt Optimierung von NDT-Verfahren für Faserverbundwerkstoffe läuft voraussichtlich noch bis Oktober Wichtige Erfolgsfaktoren des Projekts sind einerseits die räumliche Nähe und enge Vernetzung der beteiligten Partner, andererseits aber auch die Bündelung von Expertenwissen aus Forschung und Entwicklung seitens des mittelständischen Systemlieferanten AT Automation Technology GmbH und der Lufthansa Technik als weltweit agierendem MRO- Dienstleiter. Sie bestätigen damit den Grundgedanken der Spitzencluster-Förderung des BMBF.

5 Kontakt Dr. Franz Josef Kirschfink Telefon: Weitere Informationen zum Wettbewerb unter: