Schadensdetektion adaptiver CFK-Piezokeramik-Verbunde mit Hilfe der Scanning Laser Vibrometrie

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1 Schadensdetektion adaptiver CFK-Piezokeramik-Verbunde mit Hilfe der Scanning Laser Vibrometrie M. Krüger, G. Mook, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe sind aufgrund ihrer spezifischen Festigkeit attraktive Konstruktionswerkstoffe. Kombiniert mit integrierten Piezokeramiken sind sie prädestiniert für den Einsatz in adaptiven Werkstoffsystemen. Als aktives Material hat die piezoelektrische Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik derzeit die besten Erfolgsaussichten. Wegen ihrer kurzen Reaktionszeiten bietet sie sich auch zur Erzeugung von Ultraschall-Lambwellen an, mit deren Hilfe das Health Monitoring des Bauteils möglich erscheint. Sowohl während der Herstellung als auch im späteren Betrieb können diese Werkstoffverbunde durch äußere Einflüsse geschädigt werden. Für grundlegende Untersuchungen zur Wechselwirkung von Lambwellen mit verschiedenen Arten von Fehlstellen ist die Visualisierung des Wellenfeldes hilfreich. Dazu eignen sich wegen der Trockenankopplung optische Verfahren besonders gut. Die scannende Laservibrometrie ist ein bildgebendes optisches Verfahren, welches in Bezug auf das Leistungspotential zur zerstörungsfreien Prüfung des adaptiven CFK- Piezokeramik-Verbundes untersucht wird. Das adaptive System CFK-Piezokeramik Hingegen herkömmlichen (passiven) Struktursystemen sind adaptive Werkstoffsysteme in der Lage, auf wechselnde Betriebs- und Umgebungsbedingungen zu reagieren. Adaptive CFK-Piezokeramik-Verbunde werden beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt zur aktiven Schwingungs- und Geräuschunterdrückung und zur Formveränderung eingesetzt. Die adaptive Struktur eröffnet außerdem die Möglichkeit des Health Monitorings, welches zum Ziel hat, Strukturen mittels integrierter Sensoren/Aktoren zu einer Selbstüberwachung zu befähigen und im Fall einer Schädigung zu warnen. Adaptive CFK-Piezokeramik-Verbunde bieten hierfür durch ihre sensorische und aktuatorische Funktionalität die notwendigen Voraussetzungen [1;2]. Bild 1 zeigt den schematischen Aufbau des im Differential-Pressure-Resin- Transfer-Moulding(DP-RTM)-Verfahren hergestellten CFK-Piezokeramik-Verbundes. Dieser besteht aus je zwei CFK-Doppellagen mit 0 und 90 Orientierung. Zwei Polyestervliese bilden eine elektrische Isolationsschicht, die eine elektrische Ansteuerung der Piezokeramik (PZT, Blei-Zirkonat-Titanat) ermöglicht [3].

2 Bild 1: Adaptive CFK-Struktur mit integrierter Piezokeramik Defektarten Durch den komplizierten Aufbau adaptiver Werkstoffsysteme kann es bereits während des Herstellungsprozesses aber auch im späteren Einsatz zu einer Vielzahl von Fehlern kommen. Bild 2 zeigt typische Defekte in adaptiven Strukturen [1]. Bild 2: Typische Fehlerarten in adaptiven CFK-Strukturen Zu den Unregelmäßigkeiten, die vornehmlich in CFK-Piezokeramik- Werkstoffverbunden auftreten, gehören Delaminationen (ein flächiges Ablösen der einzelnen Schichten des Laminates voneinander), Debonding (Enthaftung) zwischen Keramik und Matrix, Poren und Risse in der Piezokeramik und/oder im Matrixwerkstoff. Als Besonderheit adaptiver CFK-Strukturen im Vergleich zu konventionellen Faserverbundwerkstoffen ist die Störung der Integrität durch die eingebettete Piezokeramik, Leitungen und Elektronikkomponenten zu nennen. Die Schädigungsmechanismen in adaptiven CFK-Strukturen sind analog zu traditionellen Faserverbundwerkstoffen vielfältig, wobei die unterschiedlichen Materialkomponenten diesen Effekt noch steigern. Im Bereich der makroskopischen

3 Schädigungen sind vor allem Delaminationen von Bedeutung. Bei Impactschäden kann ein visuell erkennbarer Defekt einen Verlust von ca. 80% der statischen Festigkeit verursachen; ein visuell kaum erkennbarer Impactschaden (barely visible impact damage), der nur mit geeigneten Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung zu diagnostizieren ist, immerhin noch mehr als 50% [4;5;6]. Die unterschiedliche Art, Größe, Form, Lage und Orientierung der während Herstellung und Einsatz entstehenden Inhomogenitäten in der CFK-Struktur erfordern eine umfassende Charakterisierung durch zerstörungsfreie Prüfmaßnahmen. Dadurch wird es möglich, unterschiedliche Schädigungsprozesse aufzudecken und frühzeitig Beeinträchtigungen der mechanischen, sensorischen und aktorischen Fähigkeiten zu ermitteln. Prüftechnik Mit Hilfe von Scanning Laser Vibrometern ist es möglich, elastomechanische Schwingungen und Wellen auf Bauteiloberflächen sichtbar zu machen. Bild 3 zeigt den prinzipiellen Messaufbau. Mit dem für die Untersuchungen benutzten PSV 300 sind Messungen in einem Frequenzbereich bis zu 500 khz realisierbar. Die in diesem Bereich existierenden Wellen sind kurz genug, um mit praxisrelevanten Schädigungen so zu interagieren, dass die Abbildung des Wellenfeldes zur Detektion und Lokalisierung der Schädigung ausreichen sollte. Bild 3: Prinzipieller Messaufbau des Sacnning Laser Vibrometers Basierend auf dem Doppler-Effekt messen Laservibrometer die Schwingungskomponente in Strahlrichtung. Im PSV 300 ist die Geschwindigkeitsmessung mit einem modifizierten Mach-Zehnder-Interferometer realisiert. Der Strahlengang im Scankopf des Laservibrometers ist schematisch in Bild 4 dargestellt [7].

4 Bild 4: Messprinzip des PSV 300 [7] Untersuchung plattenartiger Strukturen mittels Lambwellen Adaptive CFK-Strukturen sind durch ihre vorwiegend zweidimensionale Geometrie prädestiniert für eine zerstörungsfreie Untersuchung mittels Lambwellen. Da sich Lambwellen über große Entfernungen ausbreiten können, sind sie besonders für die Inspektion ausgedehnter Objekte attraktiv. Die Anregung der gesamten Plattendicke ermöglicht die Detektion sowohl von Oberflächenfehlern auf beiden Plattenseiten als auch innerer Defekte [4]. Für eine Schadensdetektion muss die Plattenwellenausbreitung, die Wechselwirkung der Wellen mit Strukturelementen wie Stringern und die Wechselwirkung mit den interessierenden Defekten bekannt sein. Nur die einfachsten Fälle werden durch Lehrbuchwissen und analytische Methoden beschrieben. Kompliziertere Situationen, für die keine gut handhabbaren analytischen Lösungen existieren, betreffen beispielsweise die Streuung an strukturellen Inhomogenitäten, die Wellenausbreitung in anisotropen Strukturen oder die Anregung von Wellen mit unterschiedlichen Varianten von Wandlern [8]. Aus diesem Grund wird die Wellenausbreitung und die Wechselwirkung der Lambwellen mit verschiedenen Defekten experimentell durch Abtastung mit einem Scanning Laser Vibrometer untersucht. Integrierte Piezokeramiken können bei geeigneter Anregung Lambwellen emittieren, die sich in der Ebene der plattenförmigen Gesamtstruktur ausbreiten. Das emittierte Lambwellenfeld ist von der geometrischen Form des Senders abhängig. Zur zerstörungsfreien Prüfung von Leichtbaustrukturen sind Plattenwellen (Lambwellen) von Interesse, die sich zwischen zwei parallelen Grenzflächen einer dünnen Platte ausbreiten können. Lambwellen sind Schwingungsmoden von Platten mit einer Dicke, die in der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge liegt. Die Ausbreitung der Plattenwellen ist abhängig von der Anregungsfrequenz, der Plattendicke sowie von Werkstoffparametern [9]. Plattenwellen pflanzen sich in x-richtung mit einer Teilchenbewegung in z-richtung fort (Bild 5 [10]).

5 z h x Bild 5: Ausbreitungsrichtung der Lambwellen in einer Platte Lambwellen existieren in zwei Grundmoden. Wie Bild 6 zeigt, werden Lambwellen bezüglich der Plattenmittelebene in den symmetrischen (Dehnwelle) und den asymmetrischen Grundmode (Biegewelle) unterteilt. Oberhalb der Sperrfrequenz ω sperr existiert eine Vielzahl höherer Moden, so dass prinzipiell bei jeder Frequenz mindestens zwei Moden ausbreitungsfähig sind. Lambwellen sind dispersiv, d.h. sie weisen eine Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Frequenz auf [11]. Dehnwellen symmetrischer Mode, S 0 Biegewellen asymmetrischer Mode, A 0 Dispersionsdiagramm Dispersionsdiagramm Bild 6: Grundmoden der Lambwellen und schematische Dispersionsdiagramme Die Schwingungsmessungen an adaptiven CFK-Strukturen bestätigten die Existenz zweier Schwingungsmoden. Zur Identifikation dieser Moden wurden Messungen bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen an ungeschädigtem Probenmaterial durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigt Bild 7 [12].

6 Bild 7: Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lambwellen von der Anregungsfrequenz Zerstörungsfreie Prüfung geschädigter adaptiver CFK-Verbunde Zur Untersuchung der Wechselwirkungen der Plattenwellen mit in der Struktur befindlichen Defekten wurde Probenmaterial in Form von aktiven CFK-Streifen, verrippten und unverrippten Platten mit künstlich erzeugten Fehlstellen wie Rissen, Poren und Delaminationen verwendet. Die Simulation von Poren im Material wurde durch Flachbodenbohrungen mit verschiedenen Durchmessern realisiert, wobei die Restwanddicke etwa 0,8 mm betrug. Auf diese Art wurden in einer Streifenprobe fünf Testfehler mit Durchmessern von 1 mm bis 5 mm erzeugt. Die Untersuchungen erstreckten sich über einen Frequenzbereich von 25 khz bis 500 khz. Die aussagekräftigsten Wellenbilder zur Detektion der Testfehler mit Durchmessern von 4 und 5 mm ließen sich bei Anregungsfrequenzen von 120 bis 150 khz erzeugen. Bild 8 zeigt rot gestrichelt das gescannte Messfeld auf der Probenoberfläche und das erhaltene Wellenbild bei 120 khz [12]. Die Defekte sind durch ein verändertes Schwingverhalten deutlich erkennbar. Die Form und die Position der Fehlstellen sind detektierbar und sogar die Größe des Fehlers kann abgeschätzt werden. Die Visualisierung der Fehlstellen basiert auf Anomalien im Wellenbild, das auf dem Material bei wechselwirkungsoptimierter Prüffrequenz entsteht. Dabei ist zu beachten, dass die Dichte der Abtastpunkte des Vibrometers nach dem Shannon- Kriterium so hoch gewählt wird, dass mehr als zwei Messpunkte innerhalb einer Wellenlänge liegen. Die Detektion der größeren Testfehler (4 und 5 mm) konnte bei dem (gerätespezifisch zu optimierenden) Arbeitsabstand von 217 mm erfolgen.

7 CFKstreifen PZT 10 mm Scanfeld 45 mm 63 mm f = 120 khz; A = 175 mm; U = 30 V Bild 8: Detektion der Testfehler mit Durchmessern von 5 und 4 mm Für den Nachweis kleinerer Fehlstellen war eine Verringerung des Arbeitsabstandes notwendig, da der Winkelschritt der Ablenkeinheit bereits an seiner Untergrenze angelangt war. Bei einem Arbeitsabstand von 217 mm ergibt sich ein Messpunktabstand von 0,6 mm, der für Fehlergrößen bis hinunter von 3 mm ausreichte. Der 2-mm-Fehler konnte mit reduziertem Arbeitsabstand (100 mm mit Messpunktabstand 0,28 mm) nachgewiesen werden, der 1-mm-Fehler blieb unentdeckt. Darüber hinaus wurden künstlich erzeugte Risse in der CFK-Struktur untersucht. In eine Streifenprobe wurde sowohl ein Testfehler quer zur Ausbreitungsrichtung als auch ein Fehler längs zur Ausbreitungsrichtung der Lambwellen eingebracht. Ein Beispiel für ein Wellenbild dieser Probe bei einer Anregungsfrequenz von 150 khz zeigt Bild 9 [12]. Zum Vergleich ist rechts das Wellenbild der ungeschädigten Probe unter gleichen Anregungs- und Messbedingungen dargestellt. Das Wellenbild der geschädigten Struktur weist im Vergleich zur ungeschädigten Struktur deutliche Unterschiede auf.

8 CFK- Streifen geschädigt ungeschädigt PZT 20 mm 20 mm Scanfeld 47 mm 130 mm f = 150 khz; A = 217 mm; S = 0,6 mm; U = 30 V Bild 9: Detektion der künstlich erzeugten Risse in der CFK-Struktur Obwohl sich wie erwartet die Fehlerform nicht direkt abzeichnet, ist der Einfluss der Testfehler auf das Wellenbild unverkennbar. Es wird durch Reflexion und Brechung des asymmetrischen Lambwellenmode A 0 an den Testfehlern dominiert. Außerdem kommt es zu einer Änderung der Ausbreitungsrichtung der Wellen. Detektion von Impactschäden Eine CFK-Platte, die für frühere Untersuchungen [4] bereits impactgeschädigt wurde, ist auf Delaminationen hin untersucht worden. Die Position der Defekte in dieser Platte war nicht bekannt und sollten mittels Scanning Laser Vibrometrie ermittelt werden. In Bild 10 ist eine Skizze der untersuchten CFK-Platte mit den ermittelten Defektpositionen (Kreuze) und dem Messbereich dargestellt. Rechts im Bild befindet sich das bei f = 350 khz gemessene Wellenbild. Die vorhandenen Defekte zeichnen sich im Wellenbild rechts und links von Aktor 31 deutlich ab.

9 A 10 A 6 A 28 A 31 Scanfeld 112 mm 90 mm f = 350 khz; A = 217 mm; U = 30 V 20 mm Bild 10: Detektion der Impactschädigung durch Anregung mit Aktor 31 Auf der Grundlage des Wellenbildes ist es nun möglich, die Größe der vorhandenen Defekte abzuschätzen. Allerdings ist anhand dieses Wellenbildes nicht erkennbar, ob es sich um jeweils eine Fehlstelle oder um mehrere, sich überlappende Schadensareale handelt. Um darüber genauere Aussagen treffen zu können, müsste eine weitere Prüfung dieses Defektes, z.b. mit Ultraschall, erfolgen. Zusammenfassung und Ausblick Mit dem Scanning Laser Vibrometer PSV 300-F war es möglich, adaptive CFK- Piezokeramik-Verbunde mit Anregungsfrequenzen bis zu 500 khz zu untersuchen. In diesem Frequenzbereich wurden zwei Lambwellenmoden generiert, die unabhängig von der Geometrie des piezokeramischen Wandlers als der symmetrische (S 0 -Mode) und der asymmetrische (A 0 -Mode) identifiziert werden konnten. Diese zwei Lambwellenmoden erlaubten durch ihre Wechselwirkung mit Defekten in der Werkstoffstruktur eine Visualisierung der Fehlstellen. Zur Detektion kleiner Fehler erwies sich der asymmetrische Lambwellenmode mit seiner gegenüber dem symmetrischen Mode kürzeren Wellenlänge als geeigneter. Das Leistungspotential des Scanning Laser Vibrometers in Bezug auf die Detektion bestimmter Fehlerarten wird in Tabelle 1 [12] zusammengefasst (graduierte Eignung: +++,++,+; Nichteignung: -).

10 Tabelle 1: Leistungspotenzial des Scanning Laser Vibrometers in Bezug auf die Detektion verschiedener Materialfehler Fehlerart Eignung des Verfahrens Poren (Ø 3 mm) +++ Poren (Ø 2 mm) + Poren (Ø< 2 mm) - Delamination (Impactschaden) +++ Riss senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Lambwellen +++ Riss in Ausbreitungsrichtung der Lambwellen +++ Mangelhafte Verbindungen ++ ZfP einer angrenzenden Platte (Klebeverbindung) - Detektion von Strukturelementen +++ Zusammenfassend ist zu bemerken, dass mit dem Scanning Laser Vibrometer Fehler ab 2 mm Größe in der adaptiven Struktur detektierbar sind. Die Position dieser Defekte ist im Wellenbild zu erkennen und die Größe kann abgeschätzt werden. Um diese Fehler genauer zu charakterisieren, müssen allerdings weitere Untersuchungen z. B. mit Ultraschall erfolgen.

11 Literatur 1 Pohl, J.; Mook, G.; Michel, F.; Benziger, Th.: Adaptive Werkstoffsysteme- Der Werkstoff sendet ZfP-Signale, in: Materialprüfung 41 (1999) p Janocha, H.: Adaptronics and smart structures: basics, materials, design and applications, Springer-Verlag, Berlin (1999) 3 Mook, G.; Pohl, J.; Hilbig, A.; Köser, O.: Adaptive Werkstoffsysteme, in: Materialprüfung 39 (1997) p Pohl, J.: Zerstörungsfreie Charakterisierung adaptiver CFK- Piezokeramik-Verbunde. Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Habilitationsschrift Elspass, W. J.; Flemming, M.: Aktive Funktionsbauweisen: Eine Einführung in die Struktronik. Berlin (u.a.): Springer-Verlag Mook, G.; Pohl, J.; Michel, F.: Non-destructive characterization of smart CFRP structures, in: Smart Materials and Structures 12 (2003) p Köhler, B.; Schubert, F.; Kehlenbach, M.; Bilgram, R.: Geführte Wellen in Plattenstrukturen und deren Wechselwirkung mit Strukturelementen und Defekten. Salzburg: DACH Tagung, Mai Bourasseau, N.; Moulin, E.; Delebarre, C.; Bonniau, P.: Radome health monitoring with lamb waves: experimental approach. NDT&E International 33 (2000), p Gao, W.; Glorieux, Ch.; Thoen, J.: Laser ultrasonic study of Lamb waves: determination of the thickness and velocities of a thin plate. International Journal of Engineering Science 41 (2003), p Pohl, J.; Mook, G.; Michel, F.: Health Monitoring adaptiver Strukturen. Berlin: DGZfP-Jahrestagung 2001, Mai Krüger, M.: Schadensdetektion mit Hilfe der Scanning Laser Vibrometrie. Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Diplomarbeit Corresponding address: Manja Krüger, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Institut für Werkstofftechnik und Werkstoffprüfung, Gebäude 50, Große Steinernetischstraße 6, Magdeburg, Tel. (0049) (0) , Fax. (0049) (0) , manja.krueger@mb.unimagdeburg.de