Ultraschallprüftechnik zur Porositätsbestimmung in CFK-Bauteilen

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1 DGZfP- Jahrestagung 2002, Weimar, Mai, Berichtsband 80-CD, DGZfP 2002 Ultraschallprüftechnik zur Porositätsbestimmung in CFK-Bauteilen Wolfgang Hillger, DLR und Ing. Büro Dr. Hillger, Braunschweig; Rudolf Henrich, Stefan Elze, Airbus, Bremen 1. Zusammenfassung Es wird über die Erarbeitung eines Ultraschall-(US-) Prüfverfahrens und die Entwicklung eines Demonstrators zur quantitativen Feststellung von Porositäten in kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) an Wabenstrukturen berichtet, aus denen das Airbus-Seitenleitwerksruder aufgebaut ist. Da Porenkonzentrationen ab einem gewissen Volumenprozentsatz die Festigkeit herabsetzen und zum Bauteilversagen führen können, wird im Rahmen einer Qualitätskontrolle eine zerstörungsfreie Bestimmung der Porenkonzentration gefordert. Im Gegensatz zu planparallelen monolithischen CFK-Strukturen müssen bei der CFK-Decklagenprüfung an Sandwichteilen die schwer interpretierbaren Zwischenechos (Streuechos) registriert werden, um eine Aussage über die Porenkonzentration herzuleiten. Ein US-Impuls-Echo-Verfahren wurde entwickelt und in Form eines mobilen Demonstrators, d.h. eines Funktionsmodells realisiert. Die Basis hierfür waren die Ergebnisse der US-Grundlagenuntersuchungen an Testkörpern mit Kreisscheibenreflektoren und künstlich eingebrachten Poren an CFK-Testkörpern und die Optimierung der US-Prüfparameter. Die erarbeitete optimierte Ultraschalltechnik vermag nicht nur Porenansammlungen besser als bisher zu detektieren, sie gestattet auch eine zahlenmäßige Aussage über die Porenkonzentration im Bereich unter 3%. Diese Technik kann in der Fertigung und im Service bei Bauteil- bzw. Decklagendicken bis 10 mm bei einseitiger Zugänglichkeit - eingesetzt werden. Die beschriebenen Arbeiten sind Teil des Forschungsverbund-Vorhabens MaTech Charakterisierung von CFK-Strukturen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren. (Projektpartner im Bereich Ultraschallprüftechnik sind: Airbus Bremen als Federführer, IntelligeNDT, TU Hamburg-Harburg und das Ing.-Büro Dr. Hillger. Unterauftragnehmer sind das DLR in Braunschweig und das IZFP Saarbrücken). Keywords Porosität, kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK), Ultraschallprüftechnik, Demonstrator zur Bestimmung der Porenkonzentration 2. Einleitung Im Luft- und Raumfahrtbereich werden Bauteile aus CFK erfolgreich eingesetzt. Diese Werkstoffe sind wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit attraktive Werkstoffe für Luft- und Raumfahrtanwendungen. Ein Beispiel hierfür ist das genannte Seitenleitwerk an den Flugzeugen der Airbus-Serie. Bild 1 zeigt schematisch das aus CFK-Sandwich gefertigte Ruder am Seitenleitwerk eines Airbus-Flugzeugs.

2 Bild 1: Sandwichbauteil am Seitenruder des Airbus, Schliffbild eines Ausschussteils und Prinzip der Ultraschallprüfung Bild 2: C-Bild und Echodynamik (horizontal) eines 9,1 mm dicken Testkörpers mit Kreisscheibenreflektoren 3; 4 und 5 mm, aufgenommen mit optimierten Prüfparametern Bild 3: Anzeige von künstlich eingebrachten Porengebieten mit 1,2; 1,6 und 2,3 Vol.-% im C- Bild eines 4,2 mm dicken CFK-Testkörpers, rechts: Echodynamik (diagonal) Dieses Ruder und andere Bauteile haben einerseits monolithische CFK-Bereiche mit unterschiedlichen Dicken, zum anderen Sandwich-Bereiche, bestehend aus zwei CFK-Deckschichten

3 und (angeklebtem) Nomex-Wabenkern. Neben größeren flächigen Fehlstellen wie Delaminationen können auch kleine statistisch verteilte Lufteinschlüsse wie Poren auftreten (siehe Schliff eines Ausschussteils in Bild 1 unten). Diese Bauteiltypen erfordern aufgrund ihrer unterschiedlichen Struktur und Werkstoffe speziell angepasste Prüfverfahren: Bei den monolithischen und vorwiegend planparallelen Bereichen wird z.zt. die Ultraschallprüftechnik zur Anzeige innenliegender Fehlstellen wie Delaminationen und Poren erfolgreich eingesetzt (1, 2). Der Laminataufbau (Fasern, Matrix) bewirkt eine starke Schallschwächung und stellt relativ hohe Anforderungen an die US-Prüftechnik in Bezug auf Auflösung und Dynamikbereich [1]. Ausgewertet wird hierbei meist die Schwächung bzw. das Frequenzspektrum des Durchschallungssignals oder des Rückwandechos (3, 4, 5). Bei den Sandwichstrukturen ist die Prüfung der CFK-Decklagen so nicht möglich, da die angeklebten Wabenstege den Schall nicht direkt zum Prüfkopf zurückreflektieren (siehe Bild 1). Bei der Porositätsbestimmung in Deckschichten von CFK-Bauteilen müssen deshalb die relativ kleinen Amplituden zwischen dem Eintrittsecho und dem Rückwandecho (Zwischenechos, ZE) ausgewertet werden. Diese Zwischenechos, die oft überlagerte Streuechos sind, lassen sich i.a. schwer interpretieren (tiefenabhängige Größe und Frequenz). Hierfür ist eine verbesserte Impuls- Echo-Technik erforderlich. Im Rahmen des vom BMBF geförderten MaTech-Projektes Charakterisierung von CFK-Strukturen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren wurde die Bestimmung des Porengehaltes als ein Unterprogramm eingebracht. Projektpartner im Bereich Ultraschallprüftechnik sind: Airbus Bremen als Federführer, IntelligeNDT, TU Hamburg-Harburg und das Ing.-Büro Dr. Hillger. Unterauftragnehmer sind das DLR in Braunschweig und das IZFP Saarbrücken. 3. Optimierungen der Prüfparameter Zunächst wurden an CFK-Testkörpern von 1,4 bis 9,1 mm Dicke mit Kreisscheibenreflektoren Grundlagenuntersuchungen in Tauchtechnik durchgeführt. Diese hatten das Ziel, die optimalen Prüfparameter für einen hohen Signal-Rauschabstand sowie für eine konstante Prüfempfindlichkeit über die gesamte Dicke zu erzielen. Hierfür wurde das Schallfeld optimiert sowie die Kette Sender (Art der Anregung) - Empfänger untersucht. Es kamen mehrere Ultraschallgeräte zum Einsatz (HFUS 2000 sowie PC-Karten HILL-SCAN 3040 Pulser/Receiver, HILL-SCAN 3100 Burst-Sender). Es zeigte sich, dass ein Avalanche-Sender mit einer kurzen Anstiegszeit und damit höheren Bandbreite bessere Ergebnisse brachte als ein Rechtecksender. Der Dickenbereich von 1 bis 10 mm wurde in zwei Bereiche aufgeteilt: 1-3,5 mm und >3,5-10 mm. Für jeden Bereich wurde ein breitbandiger und fokussierter Prüfkopf ausgewählt sowie mit Hilfe eines Empfangsfilters das optimale Frequenzspektrum eingestellt. Für den Bereich von 3,5-10 mm ist außerdem ein Tiefenausgleich notwendig. Bild 2 stellt ein C-Bild des 9,1 mm dicken Testkörpers mit Kreisscheibenreflektoren (KSR) dar. Die in unterschiedlichen Tiefen künstlich eingebrachten Teflonfolien haben Durchmesser von 3, 4 und 5 mm. Das Prüfsystem konnte so optimiert werden, dass diese Fehler nahezu tiefenunabhängig mit etwa gleich großen Amplituden von 4 db angezeigt werden. Die Amplitude der natürlichen Streuung ( bei einem praktisch porenfreien CFK-Laminat mit < 0,5 % Porenkonzentration) liegt bei ca. -20 db. In dem Zeitbereich der Blende, die für die Auswertung des Zwischenechos benutzt wird, wirkt auch der Tiefenausgleich mit einer db-linearen Anhebung. Dadurch ist es möglich, bis auf die Blendenbreite nur einen Prüfparameter-

4 satz für den Dickenbereich von 3 bis 10 mm zu verwenden. Die erforderliche höhere Verstärkung bei dickeren Bauteilen ergibt sich automatisch durch die breitere Blende. Mit den optimierten Prüfparametern wurde eine konstante Prüfempfindlichkeit im relativ großen Dickenbereich von 1 bis 10 mm CFK erreicht. 4. Nachweis von Poren Mit dem o.g. optimierten US-Prüfsystem wurde die Nachweisbarkeit von lokalen künstlich eingebrachten Volumenporositäten in CFK-Testkörpern untersucht. Beispielhaft zeigt Bild 3 ein C-Bild und eine Echodynamik eines 4,2 mm dicken CFK-Testkörpers mit künstlich eingebrachten Porengebieten (1,3; 1,6 und 2,3 Vol.-%). Es wurden die optimierten Prüfparameter eingestellt, die an Hand der Testkörper mit KSR gewonnen wurden. Mit zunehmender Porosität vergrößern sich die grünen und gelben Anzeigen im C-Bild (Farbpalette siehe Bild 2). Wie aus der Echodynamik hervorgeht, liegen die von den Porengebieten hervorgerufenen Streuamplituden im Bereich von ca. -20 bis -10 db (100 % Bildschirmhöhe = 0 db, KSR > -6 db). Die durch den für Ultraschall inhomogenen Aufbau bedingte natürliche Streuung liegt im Bereich < -22 db. Daher kann bei Verwendung der optimierten Prüfparameter für die Anzeige von Poren ein definierter Amplitudenbereich angegeben werden. Stellt man die in der Blende zwischen dem Eintritts- und dem Rückwandecho gemessenen Amplituden in logarithmischen Histogrammen dar, so erhält man die in Bild 4 gezeigten Verteilungen: links aus einem Bereich ohne künstlich eingebrachte Porosität, rechts aus dem Bereich mit 2,3 %-Vol.-Porosität. Es zeigen sich deutliche Unterschiede im Bereich der Amplituden > -14 db. Es bietet sich daher an, die Anzahl der Pixel im Amplitudenbereich der Poren mit der Volumenporosität zu korrelieren. 5. Umsetzung in die Praxis Die gewonnenen Erkenntnisse wurden in einen mobilen Demonstrator (Bild 5) umgesetzt. Dieser besteht aus einem kleinen Scanner (Bild 5a), einem speziellen Ultraschallprüfgerät im portablen PC (Bild 5c) und einem Wasserumlaufsystem zur akustischen Ankopplung. Der schrittmotorgetriebene Scanner mit einer Rasterfläche von 140 x 150 mm wird an das zu untersuchende Bauteil mit Saugnäpfen befestigt. Für die optimale Prüfung im Dickenbereich von 1 bis 10 mm sind zwei breitbandige und fokussierte Tauchtechnikprüfköpfe erforderlich, die jeweils in einen Adapter für Wasserspaltankopplung eingebaut sind (Bild 5b). Ein Wasserumlaufsystem sorgt für eine blasenfreie Zuführung von Wasser als Koppelmittel. Für das im portablen PC aufgebaute Ultraschallgerät wurde eine spezielle Sender- /Empfängerkarte entwickelt. Diese enthält einen optimierten Avalanche-Sender, zwei für den Werkstoff CFK abgestimmte Filter im Empfänger und einen Tiefenausgleich. Eine 100 Ms/s ADC-Karte digitalisiert die aufbereiteten Ultraschallsignale. Der portable PC enthält außerdem die Motorsteuerung, die in einem Gehäuse der Größe eines CD-ROMs eingebaut ist. Zur Gerätesteuerung, zur Aufnahme und Darstellung von C-Bildern sowie zur Auswertung der Porenkonzentration wurde eine unter Windows NT und 2000 arbeitende Software entwickelt. Diese gestattet eine einfache Bedienung durch übersichtliche Menüs.

5 Bild 4: Amplitudenhistogramme aufgenommen an einem 4,2 mm dicken Testkörper, links: ohne künstlich eingebrachte Porosität, rechts mit 2,3 Vol.-% a) Schrittmotorgetriebener Scanner b) Wasserspalt-Adapter mit Prüfkopf c) Ultraschallprüfgerät im portablen PC d) Hillgus-Programm zur Porenauswertung Bild 5: Umsetzung in die Praxis: Demonstrator zur Bestimmung der Porenkonzentration

6 Für die beiden Bauteildickenbereiche stehen Parameter-setups zur Verfügung. Von dem zu untersuchenden Bauteil wird zunächst ein C-Bild der Zwischenecho-Amplituden aufgenommen. Während des Abrasterns werden das aktuelle A-Bild sowie das C-Bild in Echtzeit dargestellt. Akzeptiert der Prüfer das C-Bild, so wird die Porenauswertung gestartet, die aus dem jeweiligen Histogramm der Zwischenecho-Amplituden (im Vergleich mit dem Referenz-Histogramm) ein Porositätswert ermittelt. Bei dem 4,2 mm dicken Testkörper (s. Bild 3) wurden die unterschiedlich eingebrachten Porositäten mit einem Fehler < 0,5 Vol.-% ermittelt. Die Software gestattet auch einen vollständigen A-Bild-Einzug während des Abrasterns. Dadurch bieten sich auch zusätzlich Signalanalyseverfahren zur Bestimmung der Porenkonzentration an, die im Rahmen des MaTech-Vorhabens entwickelt werden.. 6. Literaturverzeichnis [1] Bar-Cohen, Y.: NDT of Fiber Reinforced Composite Materials - A Review, Materials Evaluation, 44, März 1986, S [2] 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 , [3] Gundtoft, Hans-Eric: Quantitative material characterisation of composites by ultrasonic scanning, 15th World Conference on Nondestructive Testing, Roma (Italy) October 2000, Conference Proc. on CD [4] L.-K. Shark, C. Yu, J. P. Smith: Automatic estimation of ultrasonic attenuation for porosity evaluation in composite materials, 15th World Conference on Nondestructive Testing, Roma (Italy) October 2000, Conference Proc. on CD [5] A. Demma, B.B. Djordjevic: Effects of porosity on the Mechanical Strength and Ultrasonic Attenuation of CF-Peek fibre Placed Composites, 15th World Conference on Nondestructive Testing, Roma (Italy) October 2000, Conference Proc. on CD 7. Schluss und Danksagung Mit Hilfe des entwickelten US-Demonstrators und lassen sich Porenkonzentrationen im Bereich unter 3 % in CFK-Decklagen bei Sandwich-Strukturen bestimmen. Dies ist u.a. für die Qualitätssicherung der Airbus-Seitenleitwerks-Komponenten von Bedeutung. Das Projekt wird mit Mitteln des BMBF gefördert (Förderkennzeichen 03N3082D). Die Autoren danken dem BMBF und dem Projektträger Jülich für die Unterstützung.