Wirbelstromprüfung von CFK

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1 Seminar des FA Oberflächenrissprüfung Vortrag 22 Gerhard MOOK Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Magdeburg Kurzfassung Mit zunehmendem Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) steigt der Bedarf an zerstörungsfreien Verfahren zur Charakterisierung von Halbzeugen und Endprodukten sowohl während der Bauteilherstellung als auch des Bauteilbetriebs. Das Wirbelstromverfahren nutzt dazu die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffs. Zwar ist diese wesentlich geringer als die der Metalle, jedoch sind moderne Wirbelstromgeräte und spezielle Sensoren durchaus in der Lage, deren Homogenität und Anisotropie zu bestimmen und so Rückschlüsse auf eine Reihe von Qualitätsparametern zu ermöglichen. Der Beitrag zeigt die Besonderheiten der und mögliche Anwendungen.. Faserorientierung: Die Leitfähigkeit entlang der Kohlefasern ist wesentlich besser als quer dazu. Gelingt es, orientierungsabhängige Wirbelstromsignale zu gewinnen, kann aus der Leitfähigkeitsanisotropie sehr präzise und recht lokal auf die Lagenorientierung geschlossen werden. In vielen Fällen ist es sogar möglich, mit isotropen Sensoren die Orientierung der Rovings zu bestimmen. 2. Trennungen und Spalten: Trennungen in Tapes und Lücken zwischen Tapes sind häufig nur in engen Grenzen zulässig und müssen detektiert und vermessen werden. Dazu nutzt das Wirbelstromverfahren die Leitfähigkeitsinhomogenität in diesen Bereichen. 3. Falten: Beim Drapieren der CFK-Lagen kommt es mitunter zur Faltenbildung, die erst im Endprodukt sichtbar wird. Diese Falten kann das Wirbelstromverfahren durch ihre veränderte Leitfähigkeit bereits im Herstellungsprozess sichtbar machen. 4. Impacts: Im Bauteilbetrieb können schlagartige Belastungen unter anderem zu lokalem Faserbruch führen, der durch die lokal verringerte Leitfähigkeit wirbelstromtechnisch gut nachweisbar ist. 5. Delaminationen: In homogenen Werkstoffen sind parallel zur Oberfläche verlaufende Trennungen wirbelstromtechnisch kaum aufzuspüren. In CFK dagegen sind solche Trennungen dann nachweisbar, wenn sie zwischen Faserlagen unterschiedlicher Orientierung auftreten, denn hier existieren auch interlaminare Wirbelströme, die durch eine Delamination gestört werden. Lizenz:

2 Gerhard Mook. Wirbelstromausbreitung in Metallen 2. Wirbelstromausbreitung in CFK 3. Bestimmung der Faserorientierung 4. Visualisierung von Anomalien Anwendungen von CFK Warum CFK? Luftfahrt AIRBUS A38 AIRBUS A35

3 Anwendungen von CFK Automobil Komponenten LAMBORGHINI BMW BMW INSTITUT FÜR WERKSTOFF. Wirbelstromausbreitung in Metallen INSTITUT FÜR WERKSTOFF 2

4 . Wirbelstromausbreitung in Metallen Messsignal des Sensors Erregerfeld Messebene u u Luft i i ~ Imaginärteil Lift-Off u Mat U mess Anwortfeld der Wirbelströme Wirbelströme leitfähiges Material Realteil. Wirbelstromausbreitung in Metallen Einfluss von Leitfähigkeitsveränderungen Messebene u ~ veränderte leitfähiges Leitfähigkeit Material 3

5 . Wirbelstromausbreitung in Metallen Einfluss von Leitfähigkeitsveränderungen u ~ veränderte leitfähiges Leitfähigkeit Material 2. Wirbelstromausbreitung in CFK Elektrische Leitfähigkeit von CFK unidirektional multidirektional Haar Kohlenstofffaser Elektrische Leitfähigkeit in Faserrichtung: ks/m Elektrische Leitfähigkeit quer zur Faserrichtung :,7...,7 ks/m 4

6 2. Wirbelstromausbreitung in CFK Luftpunkt Elektrische Leitfähigkeiten Werkstoff in MS m - Ag 62 Cu 59 Au 45 Al 36 Dural 2 W 8 Zn 6 Sn 8 Pb 5 Ti,6 CFK, UD - unidirektional MD- multidirektional ωl ωl UD-CFK Normierte Impedanz 4 MHz,f f Titan MD-CFK khz Frequenzbereich khz 4 MHz R R ωl 2. Wirbelstromausbreitung in CFK Scannende Empfangspule Verteilung der Vertikalkomponente der magnetischen Induktion Feste Sendespule Scannende Empfangspule Feste Sendespule 5

7 2. Wirbelstromausbreitung in CFK Wirbelstrompfade Ersatzschaltbild Dissertation R. Lange Universität Magdeburg, Bestimmung der Faserorientierung % Zugfestigke eit quasiisotropes Laminat Winkel zwischen Faser- und Zugrichtung nach Ehrenstein 992 6

8 3. Bestimmung der Faserorientierung Sensoren zur Detektion der -Anisotropie 3. Bestimmung der Faserorientierung Rotiersensoren 7

9 3. Bestimmung der Faserorientierung Stehender oder rotierender Sensor Komplexwertiges Messsignal Scannersteuerung und Datenerfassung Cursor Messwert Cursor 2 Messwert 2 3. Bestimmung der Faserorientierung c) Prüffrequenz: 9,9 MHz 8

10 ,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2,2,8,6,4,2 3. Bestimmung der Faserorientierung. Lagenaufbau: (-45, +45, +45, -45 ) 8,22 9,67 27,53 27 Sensororientierung Sensor- drehrichtung 2 9,3 8, 27, ,4 8,3 27,99 - Sensorposition Sensororientierung 4 9,54 8,36 27,54 Sonde Bestimmung der Faserorientierung 2. Lagenaufbau: (-44, +44, +44, -44 ) 8,23 87,88 267,47 27 Sensororientierung Sensor- drehrichtung 2 87,79 8,4 267, ,79 79,77 267,85 - Sensorposition Sensororientierung 4 87,65 79,95 267,38 Sonde

11 3. Bestimmung der Faserorientierung Inhomogenität der elektrischen Leitfähigkeit in unidirektionalem Laminat Tast- Differenz- Sensor 3. Bestimmung der Faserorientierung Originalscan 3x3 mm 2D-FFT 2D- FFT Oi Originalscan i mit Fensterfunktion

12 4. Visualisierung von Anomalien Nachweis von Legespalten Prepregs 4. Visualisierung von Anomalien Nachweis von Legespalten Lagenaufbau: (-45, +45, +45, -45 ) S mit Gaps Trockengelege Geplante Gaps Probe von DLR, Dipl.-Ing. Meyer

13 4. Visualisierung von Anomalien CFK Rippenplatte Probe von IKT, Prof. Busse INSTITUT FÜR WERKSTOFF 4. Visualisierung von Anomalien Impacts 2 3 Scanfelder 3 x 3 mm Probe IKP Stuttgart, Prof. Busse INSTITUT FÜR WERKSTOFF 2

14 4. Visualisierung von Anomalien Schlagschaden Probe von DLR, Dipl.-Ing. Wierach 4. Visualisierung von Anomalien Treppenförmiger Faserrichtungswechsel Probe von ONERA, Dr. Krapez 3

15 4. Visualisierung von Anomalien Schnitte in mehrlagigem Trockengelege WS-X-Komponente INSTITUT FÜR WERKSTOFF 4. WS-Y-Komponente Visualisierung von Anomalien Detektion von Legefalten in CFK-Trockengelege 3. Lage 4. Lage 6. Lage 8 2. Lage 6 INSTITUT FÜR WERKSTOFF 4

16 Zusammenfassung Auf der Grundlage der Leitfähigkeitsanisotropie Lokale Faserorientierung Auf der Grundlage der Leitfähigkeitsinhomogenität Lokale Faserorientierung Legespalten, Legefalten Delaminationen zwischen Lagen unterschiedlicher Orientierung Impactschäden mit massiven Faserbrüchen 5

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