Bildgebende Ultraschallprüfung an CFK-Probekörpern mit Ankopplung über Luft

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1 Bildgebende Ultraschallprüfung an CFK-Probekörpern mit Ankopplung über Luft W. Hillger, DLR Braunschweig, W. Gebhardt, IZFP Saarbrücken Vortrag 26, DGZfP-Jahrestagung 1999, Berichtsband 68, Band 1, S Zusammenfassung Die konventionelle Ultraschallprüftechnik erfordert ein Koppelmittel zur Schallübertragung. Es besteht daher der Wunsch nach einer berührungslosen Prüftechnik. Da die Lasertechnik sehr kostenintensiv ist und die maximale Impulsfolgefrequenz bei 100 Hz liegt, wurde die Ankopplung über Luft gewählt. Wegen der großen Unterschiede zwischen den akustischen Impedanzen der Gase und der Festkörper (1:10 4 ) und sich der daraus ergeben hohen Amplitudendämpfung von über 150 db sind Maßnahmen zur Anhebung des Signal-Rauschabstandes notwendig: spezielle Prüfköpfe (Composite) mit akustischer und elektrischer Anpassung (sende- und empfangsseitig) leistungsfähiger Tone-Burst-Sender zur Anregung extrem rauscharmer Vorverstärker Schmalbandfilter im Empfänger zur Reduktion des Rauschens Das neue Prüfgerät AirTech 4000 verwendet die im IZFP-Saarbrücken entwickelten und gebauten Composite-Prüfköpfe und enthält die Sende- und Empfangselektronik auf drei PC-Karten. Hiermit wurden Ultraschalluntersuchungen an CFK-Teilen durchgeführt. Die Anzeige von Delaminationen in CFK-Platten und CFK- Sandwichbauteilen erfolgt mit mehr als 25 db Amplitudenänderung. Gebiete mit Porosität ab ca. 3,5 % werden in 4,2 mm dicken CFK-Gewebe-Platten mit 6 db nachgewiesen. Die vorgestellten Applikationen zeigen trotz des großen Impedanzsprungs Festkörper/Luft eine hohe Auflösung und hohe Dynamik. Bei Werkstoffen mit sehr hoher Schallschwächung, bei denen auch mit konventioneller Technik nur mit niedrigen Frequenzen gearbeitet werden kann, ergibt die Ankopplung über Luft sogar eine höhere Auflösung, denn bei gleicher Frequenz und gleichem Verhältnis Aperturdurchmesser zu Fokusabstand ist aufgrund der um 1/5 geringeren Wellenlänge in Luft der Fokusdurchmesser ebenfalls um 1/5 kleiner. Weitere (Werk-)Stoffe, die geprüft werden können, sind: Keramik (Grünlinge), metallische Werkstoffe, Holz und Lebensmittel (Käse). 1

2 2. Einleitung Die Ultraschallprüftechnik erfordert ein Koppelmittel zur Übertragung des Schalls (Paste, Wasser: Tauchtechnik, Fließspalt, Squirter). Das Koppelmittel ist im Prüfablauf hinderlich und muß zeitaufwendig wieder entfernt werden. Große Flächen reproduzierbar anzukoppeln ist aufwendig (störende Luftblasen). Bei einigen Werkstoffen (z. B. keramische Grünlinge) dürfen überhaupt keine Koppelmittel verwendet werden. Es besteht daher der Wunsch und auch die Notwendigkeit einer berührungslosen Prüfung mit Ultraschall. Hierfür gibt es zwei Möglichkeiten: Die Laser- Ultraschallprüftechnik [1] und die Ankopplung über Luft [2]. Die Laser- Ultraschalltechnik ist aufwendig und sehr teuer und hat den Nachteil einer maximalen Pulsfolgefrequenz von ca. 100 Hz. Daher wurde die Ultraschallprüftechnik mit Ankopplung über Luft gewählt. Wegen des großen akustischen Impedanzunterschiedes zwischen Festkörpern und Luft (10 4 :1) treten bei der Verwendung von üblichen Prüfköpfen bei der Durchschallung einer CFK-Platte zwischen dem Sende- und dem Empfangsprüfkopf Schalldruckdifferenzen von über 150 db auf, dagegen bei Tauchtechnik nur 18 db (vereinfachtetes Modell, Frequenzen unter 1 MHz) [3]. Diese große Schalldruckabnahme kann wegen des elektronischen Rauschens nicht über eine höhere Verstärkung ausgeglichen werden. In der Literatur finden sich bereits 1954 erste Veröffentlichungen über spezielle Prüfköpfe von Kuhl [4]. Erst in den letzten 10 Jahren gibt es verstärkt Veröffentlichungen zu diesem Thema [5-10]. 3. Prüftechnik Bei bildgebender Ultraschallprüfung (C- und D- Bildern) kann keine Mittelung über eine große Anzahl von A-Bildern durchgeführt werden. Wegen der erforderlichen single-shot-technik waren Optimierungen in der Kette elektrischer Sender- Sendeprüfkopf-Empfangsprüfkopf-Empfänger notwendig. 3.1 Prüfköpfe Die üblichen Prüfköpfe aus Piezo-Material mit einer Impedanz von ca. 35 MRayl sind weniger geeignet, da sich aus Transmissionskoeffizient in Luft eine Amplitudenabnahme um 93 db ergibt. Verwendet man statt Piezomaterial Piezo- Composite, so reduziert sich die akustische Impedanz auf 6 bis 10 MRayls, wodurch sich ein Gewinn um ca. 15 db ergibt. Im IZfP-Saarbrücken wurden Prüfköpfe für die Ankopplung über Luft aus Piezo-Composite entwickelt, die eine zusätzliche Anpaßschicht an Luft aus Silikonen mit einem hohen Anteil aus Luftbläschen aufweisen. Diese akustische Anpaßschicht bringt eine Verbesserung um db. Wie auch bei der Tauchtechnik läßt sich durch Fokussierung das Schallbündel einengen und damit die Leistungsdichte erhöhen. Die Fokussierung erfolgt die durch 2

3 Krümmung des Composite-Schwingers (Bild 1). Es werden getrennte Sende- und Empfangsprüfköpfen verwendet, wobei die Schwinger baugleich sind. Bild 1: Composite-Prüfkopf 3.2 Sender Die Ultraschallprüfgeräte enthalten meist einen Sender, der einen möglichst kurzen Impuls (RC-Entladung) zur Anregung des Prüfkopfes erzeugt und eine hohe axiale Auflösung ermöglicht. Bei den hier verwendeten schwach gedämpften Prüfköpfen für Durchschallung bringt ein getakteter Sinus (Burst) Vorteile, da während des Einschwingvorgangs zusätzlich Energie in den Prüfkopf gepumpt wird, wodurch sich die Amplitude stark erhöht. Die elektrische Anpassung des Sendeprüfkopfes an den Sender mit einem Transformator oder einer Induktivität erhöht sich die Spannung um 10 bis 15 db und liefert daher auch einen entscheidenden Beitrag zur Erhöhung des Signal- Rauschabstandes. 3.3 Empfänger Für den Empfänger ist ein extrem rauscharmer Vorverstärker erforderlich. Dieser ist entscheidend für den Signal-Rauschabstand des Gesamtsystems, da die dort entstehende Rauschspannung durch die insgesamt sehr hohe Verstärkung mit angehoben wird. Ein Bandfilter, der die gleiche Bandbreite wie der Prüfkopf hat, reduziert das Verstärkerrauschen, da die mittlere Rauschspannung proportional aus der Wurzel aus der Bandbreite ist. 3.4 Prüfeinrichtung AirTech 4000 Die unter 2.1; 2,2 und 2.3 aufgeführten Verfahren zur Erhöhung des Signal- Rauschabstandes wurden erfolgreich in dem neu entwickelten Prüfsystem AirTech 4000 eingesetzt. Das System besteht neben den Prüfköpfen aus drei in einem PC installierten Karten und einem Manipulationssystem. Eine ausführliche Beschreibung 3

4 findet sich in [11]. Das System kam bei den unter 3 aufgeführten Anwendungen zum Einsatz. 4. Prüfungen von Composite-Bauteilen 4.1 CFK-Platte mit Delamination und Bohrungen Bild 2 zeigt das C-Bild einer 4,2 mm dicken CFK-Platte mit einem Schlagschaden und Sacklochbohrungen mit Durchmessern von 2, 3, 4, 6 und 8 mm. Die Prüfung in Transmission wurde mit einem 450-kHz-Prüfkopfpaar (AT 4410 / 4420) mit 40 mm Fokus in Luft durchgeführt. Die Delamination verursacht einen Amplitudenabfall von über 30 db (!) und wird daher sehr kontrastreich dargestellt. Aus der horizontalen Echodynamik (Bild 3) durch die Bohrungen gehen Amplitudenänderungen von ca. 12 db hervor. Aufgrund der Fokussierung und der bei gleicher Frequenz in Luft kleineren Wellenlänge als in Festkörpern oder Flüssigkeiten werden hohe Auflösungen erzielt. Bild 2: C-Bild einer 4,2 mm dicken CFK- Platte mit Bohrungen Bild 3: Echodynamik aus Bild CFK-Sandwich mit Impact Bemerkenswert ist die mit Ankopplung über Luft erzielte Auflösung bei Bauteilen mit komplexerem Aufbau wie Sandwich mit Nomex-Waben. Aufgrund der hohen Inhomogenität lassen sich diese Bauteile auch mit konventioneller Prüftechnik nur mit niedrigen Frequenzen unterhalb von 1 MHz, teilweise auch nur unterhalb von 500 khz prüfen. Bild 4 stellt ein C-Bild eines 12 mm dicken CFK-Gewebe-Sandwich- Bauteils, wobei wieder die 450-kHz-Prüfköpfe eingesetzt wurden. Der äußerlich kaum sichtbare Schlagschaden (10 Joule) hat eine größere Kernschädigung hervorgerufen, die deutlich mit ca. 25 db Amplitudenabfall angezeigt wird (Bild 5, Echodynamik). Neben dieser kontrastreichen Schadensanzeige werden 4

5 sogar die einzelnen intakten Waben abgebildet, die etwa 12 db Amplitudenänderungen hervorrufen. Bild 6 zeigt das C-Bild derselben Sandwich-Probe aufgenommen mit Wasserspaltankopplung und Auswertung des Rückwandechos (Impuls-Echo-Technik). Hier wird der Schlagschaden auch deutlich angezeigt, jedoch erfolgt keine klare Abbildung der Wabenstruktur. Die Prüfung mit Ankopplung über Luft vermeidet nicht nur eindringendes Wasser, sondern erreicht eine wesentlich höhere Auflösung. Bild 4: C-Bild einer CFK-Sandwich-Platte Bild 5: Echodynamik aus Bild 4 Bild 5: C-Bild der CFK-Sandwich-Platte aus Bild 4, jedoch mit Wasserspaltankopplung aufgenommen 4.3 Nachweis der Porosität An einem 4,2 mm dicken CFK-Probekörper (DASA Bremen) mit künstlich erzeugter Porosität (2,5; 3,5 und 5,0 Vol.-%) wurde das in Bild 6 gezeigte C-Bild aufgenommen. Die drei Gebiete mit künstlicher Porosität zeichnen sich im C-Bild ab, wobei eine 5

6 deutliche Anzeige ab 3,5 % (Mitte) erzielt wird. Die zugehörige Echodynamik (Bild 7) deutet eine Amplitudenänderung um 6 db an. Bild 6: C-Bild einer CFK-Sandwich-Platte Bild 7: Echodynamik aus Bild Prüfungen mit einseitigem Zugang Neben der Transmissionstechnik kann mit der zur Verfügung stehenden Technik auch mit einseitigem Zugang geprüft werden. Durch Schrägeinschallung werden Plattenwellen im Bauteil generiert, die von der gleichen Seite mit einem schräg gestellten Kopf wieder empfangen werden [12]. 5. Literatur [1] J.-P. Monchalin, C. Neron : Laser-Ultrasonics for Inspection and Characterization of Aeronautic Materials, 7 th ECNDT NDT at Work, Proceedings Vol 1, pp [2] A.J. Rogovsky: Development and Application of Air-Coupled Ultrasonic Dry- Contact and Air-Coupled C-Scan Systems for Nondestructive Evaluation of Aerospace Composites, Mat. Eval. 50 (12) Dec. 1991, pp [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] W. Kuhl, G.R. Schodder, F.-K. Schröder: Condenser transmitter and microphones with solid dielectric for airborne ultrasonics, Acustica, 4 (1954) 5, S [5] A.J. Rogovsky: Development and Application of Air-Coupled Ultrasonic Dry- Contact and Air-Coupled C-Scan Systems for Nondestructive Evaluation of Aerospace Composites, Mat. Eval. 50 (12) Dec. 1991, pp

7 [6] Hutchins, D.A. and Schindel, D.W.; Advances in Non-Contact and Air-Coupled Transducers, in Proc Ultrasonics Symp. B.R.McAvoy ed. (IEEE, New York 1994) pp [7] Grandia, W.A.; Fortunko, S.M.:NDE Appplications of Air-Coupled Ultrasonic Transducers, 1995 IEEE International Ultrasonic Symposium Seattle, Washington, Conf. Proc.,1995, S [8] H.D. Tietz, B. May, M. Dietz, L. Bühling: Ultraschallprüfung an keramischen Grünkörpern, Jahrestagung 1997, ZfP-Berichtsband 59.2, Seite [9] S. Whiteley, Gr. Hayward and D. Rilly: Thickness measurement using air-coupled ultrasound, INSIGHT Vo. 39, No 11, November 1997 [10] W. Gebhardt, W. Hillger, P. Kreier: Airborne Ultrasonic Probes: Design, Fabrication, Application, 7. ECNDT, Kopenhagen, Mai, 1998 [11] W. Hillger: AirTech - ein neues Ultraschallprüfsystem mit Ankopplung über Luft, DGZfP- Jahrestagung 1999, Celle, Berichtsband [12] M.Castaings and P.Cawley: The generation, propagation, and detection of Lamb waves in plates using air-coupled ultrasonic tranducers, J. Acoust. Am. 100 (5) Nov. 1996, pp [13] Gebhard, W.: Einsatz von luftgekoppelten Ultraschall-Leistungswandlern in der ZFP, DGZfP- Jahrestagung 1999, Celle, Berichtsband 7