Optimierung der Total Focusing Method für die Prüfung von CFK-Werkstoffen

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1 DGZfP-Jahrestagung 07 More info about this article: Optimierung der Total Focusing Method für die Prüfung von CFK-Werkstoffen Jan-Carl GRAGER,, Hubert MOOSHOFER, Eric ESCHLER, Christian U. GROSSE Siemens AG, Corporate Technology, München Technische Universität München, Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung, München Kontakt Kurzfassung. Full Matrix Capture (FMC) ist eine immer populärer werdende Technik zur Ultraschalldatenerfassung. Hierbei wird ein Rohdatensatz erstellt, der sämtliche Zeitsignale aller Sender-Empfänger-Elementkombinationen eines Phased- Array-Prüfkopfes beinhaltet. Diese Daten können mit geeigneten Rekonstruktionsalgorithmen bildgebend verarbeitet werden, wobei häufig die Total Focusing Method (TFM) verwendet wird. Die TFM basiert in ihrer allgemeinen Form auf einem Linienquellenmodell, wonach sich zylindrische Wellenfronten im Prüfobjekt ohne Richtwirkung mit einer isotropen Schallgeschwindigkeit ausbreiten. Diese Idealisierungen sind bei isotropen Werkstoffen oft ausreichend oder können, wie hier gezeigt, entsprechend angepasst werden (z. B. durch Berücksichtigung der Richtcharakteristik der Einzelelemente). Bei der TFM-Rekonstruktion von FMC-Daten anisotroper und inhomogener CFK- Werkstoffe sind diese Vereinfachungen jedoch nicht zutreffend, weshalb dieser Algorithmus speziell an die Prüfung von Faserverbundwerkstoffen angepasst werden muss, um eine sinnvolle Bildgebung zu ermöglichen bzw. um diese zu optimieren. Im Rahmen der hier vorgestellten Untersuchungen erfolgten FMC-Messungen an CFK-Prüfkörpern mit Querbohrungen. Im ersten Schritt der TFM-Optimierung wurde die anisotrope Schallgeschwindigkeit des CFK-Materials mit der Backwall Reflection Method experimentell bestimmt und in der TFM berücksichtigt. Dadurch konnten die aufgezeichneten Reflektorsignale phasengleich überlagert und somit direkt in den Ergebnisbildern dargestellt werden. Eine weitere Optimierung der TFM führte zu einer Erhöhung des Signal- Rausch-Verhältnisses der Querbohrungen sowie zu einer verbesserten achweisbarkeit von oberflächennahen Reflektoren, indem zur Rekonstruktion einzelner Voxel nicht alle aufgezeichneten Zeitsignale der FMC-Informationsmatrix verwendet wurden. Die Signalauswahl erfolgte dabei anhand eines experimentell bestimmten Grenzwinkels in der Bildebene bezogen auf die akustische Achse der Prüfkopfelemente. Durch diesen Ansatz werden zur Intensitätsberechnung tieferliegender Bildpunkte mehr Signale zur TFM-Rekonstruktion herangezogen. Somit kann die stärker gerichtete Schallausbreitung in CFK näherungsweise berücksichtigt werden, was sich positiv auf die Bildqualität auswirkt. Einführung Aktuellen Marktprognosen zufolge wird die weltweite achfrage an kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) auch in den nächsten Jahren weiter stark ansteigen [, ]. Hohe gewichtspezifische mechanische Kennwerte sowie andere hinreichend bekannte Eigenschaften machen Faserverbundwerkstoffe aus CFK besonders attraktiv für viele Leicht- Lizenz:

2 baustrukturen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, im Automobilbereich und zunehmend auch im Energiesektor. Herstellungs- und betriebsbedingte Fehler- und Schädigungsarten in sicherheitsrelevanten CFK-Bauteilen (siehe z. B. [-6]) müssen mit geeigneten zerstörungsfreien Prüfverfahren zuverlässig erkannt werden. Die Ultraschallprüfung ist hier ein wichtiges Verfahren, mit dem man viele wesentliche Defekte, wie Impactschäden oder zu hohe Volumenporosität, verlässlich detektieren und mit etablierten Methoden auch weiterführend charakterisieren kann z. B. die Größenbestimmung von Schadensflächen mit der -6-dB-Technik [7, 8] oder die Ermittlung von Porositätsgraden anhand der Messung der Ultraschallabschwächung im Material [, 9, 0]. CFK-Werkstoffe stellen aufgrund ihrer inhärenten Heterogenität und Anisotropie eine Herausforderung für die Ultraschallprüfung dar. Insbesondere die elastische Anisotropie und die daraus resultierende winkelabhängige Schallgeschwindigkeit im Material kann als wesentlicher Grund angesehen werden, weshalb sich konventionelle Ultraschalltechniken zur CFK-Prüfung fast ausschließlich auf die Einschallung von Longitudinalwellen senkrecht zur Bauteiloberfläche beschränken. In dieser Raumrichtung ist deren Ausbreitungsgeschwindigkeit, bei makroskopischer Betrachtung und unter Vernachlässigung des Einflusses von lokal variierenden Faservolumen- oder Porositätsgehalten [0], annähernd konstant. Dadurch wird die tatsächlich vorherrschende hohe Komplexität der Wellenausbreitung in CFK auf eine untergeordnete Rolle reduziert und somit prüftechnisch gut beherrschbar dies zeigt sich auch an der weitverbreiteten Anwendung der oben erwähnten Verfahren zur Fehlercharakterisierung in CFK-Materialien. Im Gegensatz zur konventionellen Ultraschallprüfung, ermöglichen fortschrittliche Ultraschall-Rekonstruktionstechniken wie die Total Focusing Method (TFM) [] oder die Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) [] die Berücksichtigung der komplexen Wellenausbreitung in CFK bei der Bildgebung [-7]. Durch die zunehmende Automatisierung der Ultraschallprüfung, die steigende verfügbare Rechenleistung und die häufigere Verwendung von Phased-Array-Prüfköpfen finden diese Techniken einen vermehrten Einsatz in der Prüfpraxis. Die Kombination der Full-Matrix-Capture-Technik zur Ultraschalldatenerfassung mit einem Phased-Array-Prüfkopf und der Total Focusing Method als bildgebender Rekonstruktionsalgorithmus dieser Daten, ermöglicht eine hochauflösende Bildgebung. Die gesamte Prüfkopfapertur wird benutzt, um in jedem Bildpunkt des Rekonstruktionsvolumens eine sender- und empfängerseitige synthetische Fokussierung zu realisieren [8]. Da sich die Total Focusing Method nach Holmes et al. [, 8] nur für isotrope Werkstoffe eignet, muss diese speziell für die CFK-Prüfung optimiert werden. Verglichen mit herkömmlichen Ultraschallverfahren, ermöglicht dies eine zuverlässigere Detektion von Defekten in CFK-Laminaten, die bis zu mehrere Zentimeter dick sein können. Außerdem kann eine verbesserte Ortsauflösung und eine Kontrasterhöhung erzielt werden [5, 7].. Full Matrix Capture und Total Focusing Method Full Matrix Capture (FMC) ist eine spezielle Technik zur Ultraschalldatenerfassung mittels Phased-Array-Prüfköpfen, die unter dieser Bezeichnung an der Universität Bristol entwickelt wurde []. Vergleichbare Verfahren wurden fast zeitgleich am Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren in Saarbrücken unter dem amen Sampling Phased Array [9] sowie in den iederlanden als Inverse Wave Field Extrapolation [0] erarbeitet. Mittlerweile hat sich der Ausdruck Full Matrix Capture im internationalen Sprachgebrauch weitgehend durchgesetzt. Abgesehen von der amensgebung, wurde die-

3 ses Messprinzip im Kontext der Ultraschallprüfung aber bereits früher theoretisch behandelt [, ]. Die Untersuchungen im vorliegenden Beitrag beziehen sich ausschließlich auf lineare Phased-Array-Prüfköpfe. Diese verfügen über rechteckige piezoelektrische Wandlerelemente, welche häufig als Linienquellen für Zylinderwellen approximiert werden, da deren Elementbreite meist viel kleiner als deren Länge ist []. Bei einer FMC-Datenerfassung wird an einer definierten Prüfkopfposition jedes Element des Arrays der Reihe nach zum Senden angeregt (vgl. Abb. ). Durch das breit divergierende Schallfeld durchdringen die Wellenfronten jedes Volumenelement im Inspektionsbereich mehrmals oder werden dort reflektiert. Während eines einzelnen Sendevorgangs zeichnen dabei alle Elemente des Arrays die Echosignale als nichtgleichgerichtete A-Bilder (HF-Signale), unabhängig voneinander auf. Der dadurch resultierende Rohdatensatz beinhaltet sämtliche ² Zeitsignale aller Sender-EmpfängerElementkombinationen und wird häufig als quadratische Informationsmatrix =, organisiert. Darin entspricht jeder Eintrag einem aufgezeichneten Signal, während sich die Indizes und auf das jeweilige Sende- bzw. Empfangselement beziehen [, 7-9]. y x Empfangendes Element Prüfobjekt Reflektor Reflektor Sendendes Element z Reflektor A, A, A, A,j A, A, A, A,j A, A, A, A,j Ai, Ai, Ai, Ai,j Informationsmatrix Reflektor Abb.. Prinzip der Datenerfassung mit der Full-Matrix-Capture-Technik (links) sowie Organisation der aufgezeichneten HF-Signale, in der Informationsmatrix (rechts). Ein wesentlicher Vorteil der FMC-Technik ist, dass mit dem aufgezeichneten Rohdatensatz beliebige Schallfelder digital nachgebildet werden können und dass dieser mit einer Vielzahl verschiedener Rekonstruktionsalgorithmen bildgebend verarbeitet werden kann. Hierfür wird häufig die Total Focusing Method verwendet [7, 8]. Im ersten Schritt der TFM werden die in gespeicherten reellen HF-Signale in überführt, wobei deren jeweiliger Imaginärteil komplexwertige analytische Signale, entspricht: der Hilbert-Transformierten des betrachteten HF-Signals ℋ,,. + ℋ, =, () Anschließend erfolgt die Diskretisierung des Rekonstruktionsbereichs in ein Voxelraster, in dem jeder Bild- bzw. Fokuspunkt mit den kartesischen Koordinaten,, beschrieben wird im Rahmen dieses Beitrages wird jedoch nur der zweidimensionale Fall,, betrachtet. Die Intensität eines jeden Pixels im TFM-Ergebnisbild berechnet sich nun wie folgt: (, = = ) =, = = =, ( = + ). ()

4 Die Signalhöhen aller analytischen Signale werden zu definierten Zeitpunkten ausgelesen und aufsummiert. Diese entsprechen der jeweiligen Schalllaufzeit vom Flächenmittelpunkt des sendenden Elements zum betrachteten Fokuspunkt ( ) und von diesem zum Empfänger ( ). Sie können über die Berechnung der euklidischen Abstände (d. h. der Schallwege und ) und der Schallgeschwindigkeit im Prüfmedium ermittelt werden (vgl. Abb. ) [, 8]. y z x Pitch t t θ θ Prüfobjekt Rekonstruktionsbereich (x f, z f ) Fokuspunkt Abb.. Darstellung der TFM für eine Elementkombination. Die Laufzeiten und werden über die euklidischen Abstände der Flächenmittelpunkte der Elemente und des Fokuspunktes sowie der Schallgeschwindigkeit berechnet. Für quasiisotropes CFK (Laminatlagen in der --Ebene) wird die Gruppengeschwindigkeit durch den Winkel dominiert. Die TFM basiert somit auf der konstruktiven Interferenz möglicher Reflektorsignale und auf der destruktiven Überlagerung von Rauschanteilen. Dies führt zu hochaufgelösten Ergebnisbildern in denen Reflektoren mit einem hohem Signal-Rausch-Abstand dargestellt werden können. Die laufzeitkorrigierte Berechnung bedarf einer genauen Kenntnis der Schallgeschwindigkeit im Prüfmedium, um sicherzustellen, dass sich die ausgesandten Wellenfronten in den Fokuspunkten digital überlagern. Für die D-TFM-Rekonstruktion eines FMC-Datensatzes eines quasiisotropen CFK-Laminats muss beachtet werden, dass die Gruppengeschwindigkeit in der --Ebene vom Winkel dominiert wird.. Experimentelle Umsetzung Die FMC-Messungen wurden mit einem Ultraschallprüfgerät Dynaray der Firma Zetec und einem linearen Array von Olympus (.5L64-A) in Kontakttechnik mit Öl als Koppelmittel durchgeführt. Dieser Prüfkopf besitzt 64 Wandler mit einem Pitch von 0,75 mm. Die rechteckigen Elemente weisen eine Breite von 0,67 mm bei einer Länge von mm auf. Die Aufzeichnung der Full-Matrix-Capture-Datensätze erfolgte mit der Zetec-Software Ultravision.R4 durch den Import von insgesamt 4096 Focal-Laws zur Ausnutzung der gesamten Prüfkopfapertur. Jedes Focal-Law entspricht der Ansteuerung einer Elementkombination. Die 6-Bit-Digitalisierung der Daten erfolgte mit einer Abtastrate von 00 MHz. Die TFM-Signalverarbeitung wurde in Matlab implementiert. Für die Untersuchungen wurden zwei 0-mm-dicke Prüfkörper aus CFK und Aluminium verwendet, wobei für beide zwei identische Prüfanordnungen mit mehreren Querbohrungen mit einer Tiefe von 5 mm definiert wurden (vgl. Abb. ). Das quasiisotrope und mittensymmetrische Laminat wurde in einem Infusionsprozess hergestellt und besteht aus 58 Gewebelagen. Die genaue Materialzusammensetzung ist unbekannt. y x 64 Ø = mm 64 z Prüfobjekt 0 mm 4 mm 9 mm Ø = mm Ø = mm 5 mm mm Ø = mm mm 9.5 mm 6 mm Abb.. Prüfanordnung I (links) und II (rechts) mit verschieden positionierten Zylinderbohrungen. Beide Anordnungen wurden für Aluminium und CFK realisiert. Der Prüfkopf wurde stets mittig über den Prüfanordnungen positioniert. 4 0 mm

5 . Optimierung der Total Focusing Method. Idealisierungen der TFM In seiner erstmals von Holmes et al. [, 8] beschriebenen und sehr weit verbreiteten Form beruht der TFM-Algorithmus auf mehreren vereinfachenden Annahmen. Zunächst wird von einem isotropen Prüfmedium ausgegangen in dem sich nur Longitudinalwellen ausbreiten. Zudem beschränkt sich die Rekonstruktion auf den D-Fall in der --Ebene (Abb. 8). Da in der Prüfpraxis immer noch vorwiegend lineare Phased-Array-Prüfköpfe mit rechteckigen Elementen mit zum Einsatz kommen, werden die Einzelelemente häufig als unendlich lange Linienquellen ohne Richtwirkung approximiert []. Für isotrope metallische Werkstoffe ist diese äherung oft ausreichend auch wenn sie die tatsächlich vorherrschende gerichtete Energieausbreitung in der Bildebene nicht widerspiegelt (Abschnitt.). Es bleibt festzuhalten, dass die Total Focusing Method für die CFK-Prüfung optimiert werden muss. Ausgangspunkt ist hier zunächst das Einbeziehen der in der Rekonstruktionsebene vorherrschenden anisotropen Schallgeschwindigkeit (Abschnitt.), um eine phasengleiche Überlagerung von Reflektorsignalen zu realisieren. In Abschnitt.4 erfolgt eine Berücksichtigung des stärker gerichteten Schallfeldes in CFK, wodurch sich eine weitere Verbesserung der Bildgebung ergibt.. Anisotrope Schallgeschwindigkeit in CFK In der Literatur werden experimentelle [, 7], analytische [5] und simulative [7] Ansätze beschrieben, um die winkelabhängige Gruppengeschwindigkeit in einem CFK- Laminat zu bestimmen. Der Ausgangspunkt der in Helfen et al. [5] und Grager et al. [7] beschriebenen analytischen bzw. simulativen Verfahren ist die Steifigkeitsmatrix des untersuchten Laminats. Da die mechanischen Kennwerte des hier untersuchten Probekörpers nicht bekannt sind, wurde ein experimenteller Ansatz mit der sogenannten Backwall Reflection Method (BRM) gewählt, welcher jedoch nur für planparallele Laminate mit bekannter Dicke angewendet werden kann. Bei der BRM wird ein FMC-Datensatz über einem unbeschädigten Laminatbereich aufgezeichnet. Je nach betrachteter Elementkombination erscheint das Rückwandecho an unterschiedlichen Positionen auf der Zeitachse und zwar genau an den Punkten zwischen Sender und Empfänger an der Rückwand (vgl. Abb. 4). Da die geometrischen Positionen vom Reflektor und von den Elementen bekannt sind, können aus dem Rohdatensatz bis zu verschiedene Werte für die Gruppengeschwindigkeit berechnet werden. Der größte Winkel unter dem eine Gruppengeschwindigkeit bestimmt werden kann hängt von der Elementanzahl, dem Pitch und der Laminatdicke ab und beträgt hier etwa 50 [, 7]. Pitch p y x z θ θ d Prüfobjekt p (-) Abb. 4. Darstellung der BRM zur Bestimmung der winkelabhängigen Gruppengeschwindigkeit. Speziell bei größer werdenden Winkeln bzw. Schallwegen erschwert die abnehmende Signalhöhe des Rückwandechos dessen Identifizierung. Anschließend wurden die Messwerte (in m/s) des hier geprüften CFK-Materials mit einer Kurvenanpassung an ein Polynom dritten Grades angepasst: 5

6 =, +,, +. () Es wurde hier ein zusätzlicher, mit dem Durchschallungsverfahren gemessener Wert bei 90 berücksichtigt, um die Kurvenanpassung bei höheren Winkeln zu korrigieren [7]. Die Werte von liegen somit zwischen rund 000 m/s bei 0 und 6000 m/s bei 90. Damit Gleichung () als Bestandteil in Gleichung () im Rekonstruktionsprozess berücksichtigt werden kann, muss eine Homogenisierung des CFK-Materials in der -- Ebene vorgenommen werden, bei dem der Mehrschichtverbund durch ein homogenes aber immer noch anisotropes Material idealisiert wird (vgl. Abb. 5). Dieser Ansatz basiert auf der Arbeit von Deydier et al. [4] und wurde in Grager et al. [7] bereits ausführlich beschrieben, weshalb dieser hier nur kurz skizziert wird. Das Fokussieren von Ultraschallenergie in einem CFK-Laminat wird durch dessen Einzellagen beeinflusst, da sich die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Lagenorientierung ändert. Somit werden bei geometrisch akustischer Betrachtung, die Ultraschallstrahlen an den Grenzflächen unter verschiedenen Winkeln gebrochen. Durch die Homogenisierung kommt es zu geringen Abweichungen bei der Fokussierung, wobei in jedem Punkt der --Ebene Gleichung () gilt und somit in die TFM einfließen kann. y x c P ein d P ein z c c d d θ d c 4 d 4 P aus heterogen homogen Abb. 5. otwendiger Homogenisierungsansatz eines CFK-Laminats in der --Ebene, um die winkelabhängige Schallgeschwindigkeit in jedem Punkt dieser Betrachtungs- bzw. Rekonstruktionsebene in der TFM zu berücksichtigen. Es bleiben im heterogenen und homogenen Fall die individuellen Positionen der Ein- und Austrittspunkte ( bzw. ) einer ebenen Welle identisch, während es im Prüfmedium zu geringen Abweichungen bei der Fokussierung kommt [6, 7, 4]. Abb. 6 zeigt ein TFM-Ergebnis von Prüfanordnung II (CFK) mit einer als isotrop angenommenen Ausbreitungsgeschwindigkeit mit gemäß Gleichung (). Die Querbohrungen heben sich kaum vom Hintergrundrauschen ab und sind vorwiegend nur indirekt, durch ein lokal schwächeres Rückwandecho, erkennbar. Je nach gewählter Farbskalierung ergibt sich eine schwache sichelförmige direkte Anzeige, was zeigt, dass hier die Signale der Hauptdiagonale von maßgeblich zur Pixelintensität beitragen. P aus Abb. 6. TFM-Ergebnisbild der Prüfanordnung II (CFK) ohne Berücksichtigung der anisotropen Schallgeschwindigkeit. Die Querbohrungen heben sich kaum vom Hintergrundrauschen ab und sind vorwiegend indirekt, durch eine lokale Abschwächung des Rückwandechos, erkennbar. 6

7 Das Einbeziehen der anisotropen Schallgeschwindigkeit in die TFM-Rekonstruktion resultiert in einer phasengleichen Überlagerung der Reflektorsignale, wodurch die Querbohrungen direkt in den Ergebnisbildern abgebildet werden (vgl. Abb. 7). Der ebenfalls zu erkennende hohe Rauschpegel in Oberflächennähe ist u. a. ein Artefakt der Signalverarbeitung und wird in Abschnitt. ausführlicher behandelt. Abb. 7. TFM-Ergebnisbild der Prüfanordnung II (CFK) mit Berücksichtigung der anisotropen Schallgeschwindigkeit. Die phasengleiche Aufsummierung der Reflektorsignale führt zur direkten Abbildung der Querbohrungen. Das schwächere Signal der zweiten Bohrung von links erklärt sich durch einen abgebrochenen Bohrer, der im Probekörper verblieb.. Richtcharakteristik von Einzelelementen in isotropen Festkörpern Die in Abschnitt. beschriebene Linienquellen-Approximation in der TFM-Rekonstruktion von isotropen Werkstoffen kann durch die Berücksichtigung der Richtwirkung der Einzelelemente ersetzt werden. Eine in der Literatur häufig angewandte analytische Berechnung der Richtcharakteristik, basierend auf dem Huygensschen Prinzip, wird hier nur kurz beschrieben. Diese Ansatz, welcher in den Arbeiten von Wooh & Shi [z. B.: 5, 6] sowie Bulavinov [9] vollständiger dargestellt wird, gilt nur für die Wellenausbreitung in Fluiden und muss entsprechend für isotrope Festkörper erweitert werden [7, 8]. Den Ausgangspunkt dieser Betrachtungen bildet das Koordinatensystem und die Elementgeometrie in Abb. 8. a x (x,z) L f Rekonstruktionsebene q z y 7 (x,y,z) Abb. 8. Koordinatensystem zur Beschreibung der Richtcharakteristik eines rechteckigen Phased-Array-Elements. Bei Abstrahlung in ein Fluid kann die Richtcharakteristik hier über sin cos sin sin, = sinc sinc (4) berechnet werden. Bei einer zweidimensionalen Betrachtung in der Rekonstruktionsebene ( = ) reduziert sich Gleichung (4) zu

8 = sinc sin. (5) Durch Multiplikation von mit einem Gewichtungsfaktor von Miller & Pursey [8] ( sin ) cos =, (6) erfolgt die Erweiterung für isotrope Werkstoffe [7], wobei und der Longitudinal- und Transversalwellengeschwindigkeit entsprechen und ein Substituent für sin ist: = ( ).5 (.5 ). (7) Die Richtcharakteristik eines hier verwendeten Prüfkopfelements in Aluminium ist in Abb. 9 dargestellt und verdeutlicht den Unterschied zur Linienquellen-Approximation ohne Richtwirkung. Abb. 9. Richtcharakteristik eines Einzelelements des hier verwendeten Prüfkopfes in der --Ebene in Aluminium. In der TFM können nun je nach Element- und Bildpunktkombination mit der berechneten Richtcharakteristik = Gewichtungsfaktoren, = ( ) (8) in Abhängigkeit von definiert werden, die Gleichung () entsprechend erweitern: (, ) =,,. (9) = = achfolgend wird anhand eines FMC-Datensatzes der Prüfanordnung I für Aluminium der Einfluss von Gleichung (8) auf die TFM-Bildqualität betrachtet. Eine Berechnung des Signal-Rausch-Verhältnisses nach 8

9 = log ( QMW ) (0) erfolgte dabei über die Bestimmung des maximalen Pixelwertes über einer Querbohrung bezogen auf das quadratische Mittel QMW des Rauschpegels. Hierfür wurden rechteckige Bereiche auf sowie neben den Reflektoren in den Ergebnisbildern definiert. Abb. 0 zeigt ein mit Gleichung () erfolgtes Rekonstruktionsergebnis der Prüfanordnung I (Aluminium), d. h. mit der Linienquellen-Approximation ohne Richtwirkung. Abb. 0. TFM-Ergebnisbild der Prüfanordnung I (Aluminium) ohne Berücksichtigung Richtcharakteristik der Einzelelemente. Der Höchstwert der Farbskala entspricht dem maximalen Pixelwert der obersten Querbohrung. Ähnlich zu Abb. 7 ist in Oberflächennähe ein hoher Rauschpegel zu erkennen. Bei der FMC-Prüfung in Kontakttechnik ohne Vorlaufkeil wird der Prüfkopf direkt auf der Prüfoberfläche positioniert. Speziell in den HF-Signalen der Hauptdiagonale und in einigen benachbarten ebendiagonalen der Informationsmatrix führt dies, durch den Sendereinfluss und wegen des auftretenden Oberflächenechos, zu erhöhten Signalwerten am Beginn der Zeitachse. Diese fließen in den Bildgebungsprozess der TFM vor allem in Oberflächennähe mit ein und führen dort zu einem erhöhten Rauschpegel. Verstärkt wird dieser Effekt zusätzlich durch einen Fehler der Signalverarbeitung, wenn die HF-Signale in Oberflächennähe zu einer Übersteuerung führen. Das resultierende sogenannte Clipping führt zu nicht-differenzierbaren Stellen in den Zeitsignalen und somit zu Signalverarbeitungsfehlern bei der Hilbert-Transformation. Als Ergebnis stellen sich im Imaginärteil des analytischen Signals Signalhöhen von +00 %-Bildschirmhöhe [%-BSH] bzw. -00 %-BSH ein. Für das Ergebnis in Abb. erfolgte die Rekonstruktion mittels Gleichung (9), wodurch die Abbildungsqualität der Querbohrungen erhöht wurde. Das Oberflächenrauschen wurde durch die Berücksichtigung der Richtcharakteristik der Einzelelemente reduziert. Die achweisbarkeit von oberflächennahen Reflektoren erhöhte sich um bis zu 7,7 db. Abb.. TFM-Ergebnisbild der Prüfanordnung I (Aluminium) mit Berücksichtigung Richtcharakteristik der Einzelelemente. Die Differenzen der SR-Werte beziehen sich auf das Rekonstruktionsergebnis in Abb. 0. Der Höchstwert der Farbskala entspricht dem maximalen Pixelwert der obersten Querbohrung. 9

10 .4 Grenzwinkel für die Rekonstruktion (CFK) Der soeben aufgezeigte Berechnungsansatz zur Beschreibung der Richtwirkung von Einzelelementen kann auf CFK-Materialien nicht übertragen werden. Vergleichbare Ansätze für Faserverbundwerkstoffe sind nicht bekannt. Eine Möglichkeit der SR-Erhöhung von Reflektoren in CFK in TFM-Ergebnissen wird von Li et al. [, 9] beschrieben und auch in diesem Beitrag angewandt. Durch diese Optimierung werden zur Rekonstruktion einzelner Bildpunkte nicht mehr sämtliche Signale in herangezogen. Die Signalauswahl erfolgt anhand eines maximalen Rekonstruktionswinkels in der Bildebene. Dieser ist definiert als der Winkel zwischen der akustischen Achse des Sende- bzw. Empfangselements und der Verbindungslinie zwischen Flächenmittelpunkt des betrachteten Elements und dem zu rekonstruierenden Bildpunkt. Während der TFM-Rekonstruktion werden die Winkel oder für jede Element- und Bildpunktkombination berechnet. Für den Fall, dass einer dieser beiden Winkel größer als ist, fließt das jeweilige Signal nicht mehr in die Berechnung von (, ) ein. Dieser Ansatz fixiert die Blendenzahl in Abhängigkeit der -Position der Bildpunkte. Die aktive Prüfkopfapertur für die Rekonstruktion eines Bildpunktes kann mit dessen -Koordinate und dem maximalen Rekonstruktionswinkel über = tan () berechnet werden. Bezieht man hier noch Elementbreite und -pitch mit ein, so erhält man die Anzahl der an der TFM beteiligten Elemente bzw. Signale, welche mit zunehmender Rekonstruktionstiefe ansteigt. Abb. zeigt ein TFM-Ergebnisbild der Prüfanordnung I für CFK ohne Begrenzung des Rekonstruktionswinkels. Auffällig ist, dass nur die obere -mm-querbohrung abgebildet werden kann. Die darunter liegenden -mm-bohrungen werden von dieser verdeckt. Dies steht im Gegensatz zu den Rekonstruktionsergebnissen derselben Prüfanordnung für Aluminium (Abschnitt.). Vorangehende Untersuchungen von Grager et al. [7] zeigten, dass bei einem Sendevorgang eines Einzelelements in CFK das Schallfeld stärker gerichtet ist als in metallischen Werkstoffen. Dadurch können die hier vorhandenen verdeckten Reflektoren in CFK nicht rekonstruiert werden. Abb.. TFM-Ergebnisbild der Prüfanordnung I (CFK) des vollständigen FMC-Datensatzes (d. h. TFM bei einem Grenzwinkel von 90 ). Die obere -mm-querbohrung verdeckt die beiden darunter liegenden Bohrungen mit einem Durchmesser von mm. Der Höchstwert der Farbskala entspricht dem maximalen Pixelwert der obersten Querbohrung. Im Folgenden wurde der FMC-Datensatz der Prüfanordnung I (CFK) mehrmals mit verschiedenen rekonstruiert. Der Grenzwinkel wurde dabei von bis 90 mit einem Inkrement von variiert. Für jedes Rekonstruktionsergebnis erfolgte eine SR-Berechnung analog zu Abschnitt.. Der Verlauf des Signal-Rausch-Verhältnisses in Abhängigkeit des Rekonstruktionswinkels ist in Abb. dargestellt. Das Maximum bei 0 liegt um 0

11 7, db höher als bei der Verwendung des vollständigen FMC-Datensatzes zur Rekonstruktion (d. h. TFM bei 90 ). Ab 47 hin zu höheren Grenzwinkeln nimmt das SR merkbar ab. Li et al. [, 9] beschreiben einen ähnlichen Verlauf des Signal-Rausch-Verhältnisses bei verschiedenen Rekonstruktionswinkeln. Abb.. SR-Betrachtung der Prüfanordnung I (CFK) bei Variation des maximalen Rekonstruktionswinkels. Ein maximaler SR-Wert von 8,9 db tritt bei einem Winkel von 0 auf. Die Rekonstruktion des vollständigen FMC- Datensatzes, d. h. mit einem von 90, führte zu einem um 7, db niedrigeren SR-Wert. Abb. 4 zeigt das Rekonstruktionsergebnis des hier betrachteten Datensatzes mit dem größten Signal-Rausch-Abstand (d. h. bei 0 ). Auffällig ist, dass der in Abschnitt. beschriebene, hohe Rauschpegel in Oberflächennähe durch diesen Ansatz reduziert wird. Die unteren beiden -mm-querbohrungen können auch hier nicht abgebildet werden. Abb. 4. TFM-Ergebnisbild der Prüfanordnung I (CFK) mit einem Grenzwinkel von 0. Die obere -mm-zylinderbohrung verdeckt die beiden darunter liegenden -mm-bohrungen. Die Differenz des SR-Wertes bezieht sich auf das TFM-Ergebnis in Abb.. Der Höchstwert der Farbskala entspricht dem maximalen Pixelwert der obersten Querbohrung. Auch wenn das SR durch den hier beschriebenen Ansatz optimiert wird, so reduziert sich die Abbildungsqualität der Reflektoren bei kleineren maximalen Rekonstruktionswinkeln. Abb. 5 demonstriert, wie die Querbohrungen mit zunehmendem Rekonstruktionswinkel abgebildet werden. Es entsteht ein periodisches Muster in den Rekonstruktionsergebnissen, welches besonders bei kleinen ausgeprägt auftritt. Dieses entsteht dadurch, dass bei der TFM-Signalverarbeitung mit Grenzwinkel, anschaulich gesprochen, unter jedem Prüfkopfelement ein gleichschenkliges Dreieck definiert wird, dessen Spitze auf den Flächenmittelpunkt des jeweiligen Elements zeigt. Liegt ein Bildpunkt innerhalb eines oder mehrerer benachbarter Dreiecke, so kann dieser nur durch die zugehörigen Elemente oder Elementkombinationen rekonstruiert werden. Eine weitere Auffälligkeit in Abb. 5 ist, dass sich Größe und Form der Reflektoren in Abhängigkeit von unterscheiden. Je mehr Elemente bei der Rekonstruktion betei-

12 ligt sind, desto kleiner erscheint der Reflektor in den Ergebnisbildern, da die TFM hier insbesondere in -Richtung eine stark fokussierende Wirkung hat []. Abb. 5. Darstellung der -mm-querbohrung aus Prüfanordnung I (CFK) für verschiedene Rekonstruktionswinkel. Der Höchstwert der Farbskala entspricht dem maximalen Pixelwert der obersten Querbohrung. 4. Zusammenfassung und Ausblick Im Rahmen dieses Beitrages erfolgten Ultraschallmessungen mit der Full-Matrix-Capture- Technik an CFK-Prüfkörpern mit eingebtrachten Zylinderbohrungen. Für die Rekonstruktion dieser Rohdaten mit der Total Focusing Method wurde die anisotrope Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in CFK mitberücksichtigt. Dies ist eine Grundvoraussetzung, um erfolgreiche Rekonstruktionsergebnisse erzielen zu können. In der Literatur werden verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, um die winkelabhängige Schallgeschwindigkeit messtechnisch, analytisch oder simulativ zu erfassen. Die Linienquellen-Approximation von rechteckigen Phased-Array-Elementen ist für die FMC-Prüfung von isotropen metallischen Werkstoffe oft ausreichend. Dennoch konnte die achweisbarkeit von oberflächennahen Reflektoren in Aluminium um bis zu 7,7 db erhöht werden, indem die Richtcharakteristik der Einzelelemente in der Rekonstruktionsebene berücksichtigt wurde. Die Abbildungsqualität der eingebrachten Reflektoren konnte gesteigert werden. Indem zur Rekonstruktion von CFK nicht alle aufgezeichneten Zeitsignale der FMC-Informationsmatrix verwendet wurden, konnte die achweisbarkeit von oberflächennahen Reflektoren um bis zu 7, db erhöht werden. Dieser Ansatz, wonach zur Intensitätsberechnung tieferliegender Bildpunkte mehr Signale zur TFM-Rekonstruktion herangezogen werden, führte zu einer Maximierung des SR bei einer Begrenzung von 0. Dies steht im Einklang mit Untersuchungen von Li et al. [, 9]. Das Prinzip des maximalen Rekonstruktionswinkels berücksichtigt näherungsweise das, im Vergleich zu isotropen metallischen Werkstoffen, stärker gerichtete Schallfeld in CFK. Dennoch berücksichtigt es nicht die Richtcharakteristik der Elemente in CFK, weshalb die otwendigkeit besteht, geeignete Modelle zu generieren, die die Schallausbreitung bei einem Sendevorgang bei Full Matrix Capture in CFK beschreiben können. Folgearbeiten werden an mehreren CFK-Probekörpern mit bekannter Materialzusammensetzung und verschiedenen Lagenaufbauten durchgeführt. Mit künstlich eingebrachten Fehlstellen muss die TFM für die CFK-Prüfung weiter optimiert werden. Je nach verwendetem Phased-Array-Prüfkopf, erscheint es vorteilhaft zu sein, für die Rekonstruktion von FMC-Rohdaten von CFK-Prüfkörpern nicht sämtliche Signale der Informationsmatrix zu verwenden. Dies ist ebenso Gegenstand weiterer Untersuchungen. Referenzen [] Kraus, T.; Kühnel, M., Witten, E.: Composite Market Report 06 Market Developments, Trends, Outlook and Challenges, Carbon Composites e.v. (CCeV), 06 [] Das, S.; Warren, J.; West, D.; Schexnayder, S. M.: Global Carbon Fiber Composites Supply Chain Competitiveness Analysis, Technical Report, 06

13 [] Summerscales, J.: Manufacturing Defects in Fibre-Reinforced Plastics Composites, Insight on- Destructive Testing and Conditioning Monitoring, 6():96-94, 994 [4] Adams, R. D.; Cawley, P.: A Review of Defect Types and ondestructive Testing Techniques for Composites and Bonded Joints, DT International (4):08-, 988 [5] Oster, R.: Herausforderung an die ZfP bei ihrer Anwendung an Faserverbundbauteilen, DACH- Jahrestagung, Graz, Österreich, 0 [6] Heslehurst, R. B.: Defects and Damage in Composite Materials and Structures, CRC Press (Taylor & Francis Group), Boca Raton (Florida), ISB: , 04 [7] Smith, R. A.: Ultrasonic Defect Sizing in Carbon-Fibre Composites an Initial Study, Insight on- Destructive Testing and Conditioning Monitoring, 6(8): , 994 [8] Grosse, C. U.; Goldammer, M.; Grager, J.-C.; Heichler, G.; Jahnke, P.; Jatzlau, P.; Kiefel, D.; Mosch, M.; Oster, R.; Sause, M. G. R.; Stößel, R.; Ulrich, M.: Comparison of DT Techniques to Evaluate CFRP - Results Obtained in a MAIzfp Round Robin Test, 9th World Conference on on-destructive Testing (WCDT), München, Deutschland, 06 [9] Birt, E. A.; Smith, R. A.: A Review of DE Methods for Porosity Measurement in Fibre-Reinforced Polymer Composites, Insight on-destructive Testing and Conditioning Monitoring, 46():68-686, 004 [0] Stone, D. E. W.; Clarke, B.: Ultrasonic Attenuation as a Measure of Void Content in Carbon-Fibre Reinforced Plastics, on-destructive Testing, 8(7):7-75, 975 [] Holmes, C.; Drinkwater, B. W.; Wilcox, P. D.: The Post-Processing of Ultrasonic Array Data Using the Total Focusing Method, Insight on-destructive Testing and Conditioning Monitoring, 46(): , 004 [] Prine, D. W.: Synthetic Aperture Ultrasonic Imaging, Proceedings of the Engineering Applications of Holography Symposium, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, 87-94, 97 [] Li, C.; Pain, D.; Wilcox, P. D.; Drinkwater, B. W.: Imaging Composite Materials Using Ultrasonic Arrays, DT & E International, 5:8-7, 0 [4] Spies, M.; Jager, W.: Synthetic Aperture Focusing Technique for Defect Reconstruction in Anisotropic Media, Ultrasonics, 4():5-, 00 [5] Helfen, T. B.; Sridaran Venkat, R.; Rabe, U.; Hirsekorn, S.; Boller, C.: Characterisation of CFRP Through Enhanced Ultrasonic Testing Methods, Applied Composite Materials, 9(6):9-99, 0 [6] Yan, D.; Sutfliffe, M.; Wright, B.; Cooper, I.: Ultrasonic Imaging of Full Matrix Capture Acquired Data for Carbon Fibre-Reinforced Polymer, Insight on-destructive Testing and Conditioning Monitoring, 55(9):477-48, 0 [7] Grager, J.-C.; Schrapp, M.; Mooshofer, H.; Sause, M. G. R.; Zelenyak, A.-M.; Grosse, C. U.: Ultrasonic Imaging of Carbon Fiber-Reinforced Plastics Using the Full Matrix Capture Data Acquisition Technique, 9th World Conference on on-destructive Testing, Munich, Germany, 06 [8] Holmes, C.; Drinkwater, B. W.; Wilcox, P. D.: Post-Processing of the Full Matrix of Ultrasonic Transmit-Receive Array Data for on-destructive Evaluation, DT & E International, 8(8):70-7, 005 [9] Bulavinov, A.: Der getaktete Gruppenstrahler, Dissertation, Universität des Saarlandes, 005 [0] Pörtzgen,.; Gisolf, D.; Blacquière, G.: Inverse Wave Field Extrapolation: A Different DI Approach to Imaging Defects, IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 54 ():8-7, 007 [] Chiao, R. Y.; Thomas, L. J.: Analytic Evaluation of Sampled Aperture Ultrasonic Imaging Techniques for DE, IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 4(4):484-49, 994 [] Karaman, M.; Li, P.-C.; O'Donnell, M.: Synthetic Aperture Imaging for Small Scale Systems, IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 4():49-44, 995 [] Dubé,.: Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications: R/D Tech Guideline, Advanced Practical DT Series, Olympus DT, ISB: , 007 [4] Deydier, S.; Gengembre,.; Calmon, P.; Mengeling, V. ; Pétillon, O.: Ultrasonic Field Computation Into Multilayered Composite Materials Using a Homogenization Method Based on Ray Theory, Review of Progress in Quantitative ondestructive Evaluation, AIP Conference Proceedings, 760: , 004 [5] Wooh, S.-C.; Shi, Y.: Influence of Phased Array Element Size on Beam Steering Behavior, Ultrasonics, 6(6):77-749, 998 [6] Wooh, S.-C.; Shi, Y.: Three-dimensional beam directivity of phase-steered ultrasound, The Journal of the Acoustical Society of America, 05(6):75-8, 999 [7] Drinkwater, B. W.; Wilcox, P. D.: Ultrasonic Arrays for on-destructive Evaluation: A Review, DT & E International, 9(7):55-54, 006 [8] Miller, G. F.; Pursey, H.: The Field and Radiation Impedance of Mechanical Radiators on the Free Surface of a Semi-Infinite Isotropic Solid, Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, (55):5-54, 954 [9] Li, C.; Pain, D.; Wilcox, P. D.; Drinkwater, B. W.: Imaging Composite Materials Using Ultrasonic Arrays, Review of Progress in Quantitative ondestructive Evaluation, AIP Conference Proceedings, 40: , 0