Bestimmung des Schädigungsverlaufes einer zugbelasteten hybriden Metall-FVK-Verbindung mittels Computertomographie

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1 Bestimmung des Schädigungsverlaufes einer zugbelasteten hybriden Metall-FVK-Verbindung mittels Computertomographie Stephan Ucsnik 1, Michael Krumm 2, Stefan Reisinger 2, Stefan Kasperl 2 1 LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH, Austrian Institute of Technology 5282 Ranshofen, Österreich, Tel: , stephan.ucsnik@ait.ac.at 2 Fraunhofer Entwicklungszentrum Röntgentechnik Dr.-Mack-Str. 81, Fürth, Deutschland, Tel: ; michael.krumm@iis.fraunhofer.de, reisinsn@iis.fraunhofer.de, stefan.kasperl@iis.fraunhofer.de Kurzfassung Die Realisierung einer hoch belastbaren, hybriden Verbindung für Mischbauweisen zwischen Metallen und Faserverbundkunststoffen (FVK) ist Ziel von Entwicklungsarbeiten an der LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH (LKR). Dabei wird ein metallisches Bauteil mit einem faserverstärkten Laminat unter gleichzeitiger Anwendung von mechanischem Formschluss und Stoffschluss verbunden gehalten. Der mechanische Formschluss wird über aufgeschweißte Pins realisiert, die in trockenes Fasergewebe eindringen, der Stoffschluss wird durch das Infiltrationsharz des FVK erreicht. Im Rahmen von mehrstufigen Zugversuchen ist jüngst die Tragfähigkeit dieser Verbindung an zweischnittigen Double-Lap-Shear (DLS) Metall-FVK-Proben bestimmt worden. An das Fraunhofer Entwicklungszentrum für Röntgentechnik EZRT wurde die Anfrage gestellt, ob mittels der Röntgen-Computertomographie (CT) Risse am Interface einer Metall-FVK-DLS-Probe bzw. im FVK festgestellt werden können. Die Aufgabe bestand sowohl für den un-, teil-, und vollbelasteten Zustand des Testbauteils. Zum Nachweis der Machbarkeit ist mit Hilfe einer Simulationssoftware zunächst der computertomographische Aufnahmeprozess simuliert worden. Gleichzeitig sind fehlende CT Aufnahmeparameter bestimmt und optimiert worden. Mit dem gefundenen Parameterset konnten die DLS-Proben mit einem Mikrofokus CT System zwischen Teillast-Zugversuchen gemessen werden. Eine anschließende Artefaktreduktion für mehrmaterialige Objekte (IAR-M) erlaubte es, die CT-Bildqualität weiter zu verbessern. Der den Einsatz der CT ist es möglich, eine bis dato nicht erreichte Schnittbildgebung der Metall-FVK-Fügeverbindung zu erzielen, die Rissdetektion ist erst bei großen, fortgeschrittenen Rissen möglich. Keywords: Metall-FVK-Mischbauweise, hybride Verbindungstechnik, zerstörungsfreie Prüfung, ZFP, Schädigung, Computertomographie, Artefaktkorrektur, Strahlaufhärtung 1 Einleitung Gegenwärtig halten faserverstärkte Kunststoffe aufgrund hervorragender gewichtsspezifischer Eigenschaften vermehrt Einzug in Strukturbauteilen der Energie-, Automobil-, und Luftfahrttechnik. Die Realisierung von hoch belastbaren, schadenstoleranten und langlebigen Verbindungen an der Schnittstelle zwischen Beschlägen aus Metallen und Faserverbundkunststoffen steht im Fokus der Entwicklung einer angepassten Fügetechnik für Metall-FVK-Mischbauweisen an der LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH (LKR). Etablierte Fügetechnologien können die Verbindung entweder über einen mechanischen Form- und Kraftschluss (Schrauben, Nieten, Clinchen etc.) oder über einen chemischen Stoffschluss mittels Verklebungen herstellen. Es gibt Ansätze Form-, Kraft-, und Stoffschluss in Kombination anzuwenden, 109

2 wobei der Stoffschluss zu einer kontinuierlichen Lasteinleitung dient und zusätzlich eingebrachte Schrauben oder Nieten zur Erhöhung der Sicherheit dienen. Am LKR werden Untersuchungen zur Fügetechnologie durchgeführt, bei der diese drei Mechanismen in einer für den FVK faserschonenden, nicht-lösbaren Variante bei gleichzeitig reduziertem Gewichtseintrag zum Einsatz kommen [1]. Mit Hilfe eines energiearmen Schweißprozesses [2] ist es möglich, metallische Oberflächen mit Stiften, Pins, zu versehen, die senkrecht auf der Oberfläche angeordnet sind. Auf solche Art modifizierte Oberflächen kann trockenes Fasermaterial aufgelegt und drapiert werden. Die Pins dringen in das Laminat ein und bilden sodann einen ersten, losen Formschluss zwischen Metall und Gewebe. Dieser Verbund wird durch Vakuum kompaktiert und mit Matrixharz infiltriert. Durch den anschließenden Heizprozess härtet das FVK aus [1][3]. Die Tragfähigkeit dieser Verbindung wird maßgeblich durch die Anzahl der Pins im Überlappungsgebiet und durch die Qualität der Klebeverbindung bestimmt. 2 Probengeometrie Abbildung 1 zeigt die Probengeometrie zur Ermittlung des Traglastpotentials der hybriden Metall- FVK-Fügetechnik [4]. Es handelt sich um ein zweischnittiges Bauteil, das an der rechten Seite aus zwei FVK-Schalen und einem mittig eingelegtem Distanzblech besteht (vgl. Abbildung 1). Die Oberfläche des Distanzblechs ist mit Trennmittel versehen (weiß gestrichelt), so dass sich kein Verbund zwischen Metall und FVK bildet. Das linke Metallblech besitzt mit dem FVK einen Überlapp-Bereich von 30 mm x 20 mm an Ober- und Unterseite. In der Übergangszone (Abbildung 1 Bereich cm) befinden sich Kugelpins, die in einem Muster von 4 x 4 mit einem Abstand von 5 mm x 5 mm angeordnet sind (Abbildung 2). Abbildung 1: DLS-Probe mit Pins verstärkter Übergang. Probenabmessungen: L x B x H = 250 x 20 x 17 [mm] Der Durchmesser der Pins D Pin ist abhängig vom eingesetzten Schweißzusatzmaterial. Pinform und die resultierende Pinhöhe H Pin variieren je nach Schweiß-Prozessführung. In der vorliegenden Test-geometrie ist D Pin = 0.80 mm und H Pin = 2.85 mm gewählt. Abbildung 2: Zylinderpins & Kugelpins 3 Aufgabe und Testdurchführung Die maximale Tragfähigkeit der Verbindung hängt maßgeblich von der Qualität der Bauteilverklebung ab. Existieren Fehlstellen oder anfängliche Risse in der Verklebung des Metall-FVK-Interface, so verringern diese die initiale Steifigkeit und die maximale Tragfähigkeit der Verbindung. Am Fraunhofer Entwicklungszentrum für Röntgentechnik wurden Untersuchungen zur Detektion möglicher Fehlstellen und Anrissen unter Verwendung der Computertomographie durchgeführt. Ziel der Untersuchungen ist die Detektion und Bewertung des Klebeinterface einer unbelasteten, kugelpinverstärkten hybriden Verbindung anhand verbesserter Auswertealgorithmen. Weiter sollte ein durch 110

3 mehrstufige Zugversuche initiierter Riss im Interface bzw. FVK mit der CT detektiert werden. Die hybride Fügeverbindung wird weggesteuert mit axialem Zug beaufschlagt, wobei die beiden FVK- Schalen (Abbildung 1) vom linken Metallblech nach rechts weggezogen werden. Die Schubbelastung der Fügezone führt zur Rissinitiierung im Interface, zu einem Risswachstum und zu einer lokalen Lasteinleitung in das metallische Bauteil an den Aufsetzpunkten der Pins. Abbildung 3 zeigt Belastungskurven, wobei E1 - E5 Entlastungspunkte darstellen, bei denen die Deformation auf null zurückgefahren und CT-Scans S1 - S5 erstellt wurden. S0 ist der CT-Scan der unbelasteten Probe. S0-S5 E5 Traglast E4 E3 E2 E1 S0 S1 S2 S3 S4 S5 Lokale Fügeaufweitung [mm] Abbildung 3: 5 Belastungszyklen mit Entlastungspunkten (E1-E5) und Scanpunkten (S0-S5) 4 Computertomographie Die Machbarkeit der Messaufgabe ist in einem ersten Schritt mit Hilfe des Simulationswerkzeugs Scorpius XLab an einem virtuellen Modell der Probe überprüft worden [8]. Simulierte CT- Messungen sollten zeigen, ob mit einer handelsüblichen Mikrofokus-Röntgenröhre eine ausreichende Durchstrahlbarkeit gegeben ist. Zum Anderen konnten aus den Simulationen wichtige Röntgenparameter wie z. B.: Beschleunigungsspannung, Positionierung oder Vorfiltermaterial für ein optimales CT-Bild (Tabelle 1) mit folgender Vorgehensweise bestimmt werden: Ausgehend von der Probengeometrie ist zunächst eine optimale Positionierung gesucht, die sich durch minimale Durchstrahlungslängen über alle Drehwinkel auszeichnet. Basierend darauf, ergibt sich für den metallischen Anteil (ρ Fe = g/cm³) eine maximale Durchstrahlungsweglänge von L max = 22 mm. Referenzdaten für die physikalischen Wechselwirkungen zwischen Werkstoff und Röntgenstrahlung [9] liefern den für Eisen energieabhängigen Massenschwächungskoeffizienten (μ/ρ) Fe. Unter Verwendung der Dichte und der maximal zu durchstrahlenden Länge wird die totale Abschwächung bestimmt, aus der sich über das Lambert-Beer sche Gesetz eine zu erwartende Restintensität I Norm ergibt. Abbildung 4 zeigt den energieabhängigen Verlauf der Intensität nach Durchstrahlung von L max. Die angestrebte Restintensiät liegt nach [10] bei 0.1. Für ein 220 kv Spektrum, dessen mittlere Energie bei ca. 60 kv liegt, beträgt die Restintensität allerdings nur Zur Erhöhung der mittleren Energie muss daher das Röntgenspektrum aufgehärtet werden. Für eine Restintensität > 1% wird eine mittlere Energie von mindestens 121 kv benötigt. Diese effektive Energie ist durch die Filterung der Röntgenstrahlung mit 3 mm Kupfer erreichbar. Das verbleibende Signal ist derart schwach, dass die Belichtungszeit erhöht werden muss, um adäquate Intensitätswerte zu erreichen. Zusätzlich zur Primärintensität kommen Streustrahlungsanteile wie Objektstreustrahlung, Streuung im Detektor und insbesondere optische Streuung im Szintillatormaterial hinzu. Daher sind bei der realen Messung wenig Aussagen über innenliegende Strukturen des Metallanteils möglich. Für Kohlen-FVK (CFK) (40% Epoxid, 60% Kohlefaser) lässt sich für die längste Absorptionslänge von rund 20 mm bei 111

4 121 kv eine normierte Intensität von 0.56 bestimmen. Die Vorgaben zur Durchstrahlbarkeit nach [10] können hier nicht erreicht werden I Norm Inkorhärente Streuung Photoelektrische Absorption Totale Abschwächung I Norm Energie [kev] Inkorhärente Streuung Photoelektrische Absorption Totale Abschwächung Energie [kev] a) Normierte Primärintensität für 22 mm Eisen b) Normierte Primärintensität für 20 mm CFK Abbildung 4: Energieabhängiger Verlauf der Intensität nach Durchstrahlung einer spezifischen Materialdicke. Parameter Einheit Wert Röntgenröhre Bezeichnung --- Feinfocus mit Reflexionskopf Spannung kv 220 Strom µm 440 Vorfilter Material --- Cu Dicke mm 3 Trajektorie Art --- Kreisbahn Anzahl Winkel Fokus-Detektor-Abstand mm 800 Fokus-Objekt-Abstand mm 80.6 Vergrößerung Öffnungswinkel deg 28.7 Detektor Bezeichnung --- Perkin Elmer XRD 1620 Pixel X x Y x 2048 Pixelabstand µm 200 Rekonstruktion Bezeichnung --- Filtered backprojection Volumengröße Voxel 2047 x 2047 x 2048 Voxelgröße µm Tabelle 1: Simulations- und Messparameter. Per Simulation bestimmte Aufnahmeparameter sind kursiv markiert. 5 Resultate Abbildung 5 zeigt Ergebnisse der CT-Simulation in Form von Längs- und Querschnitten des Ausgangsmodells. Gut zu erkennen sind modellierte Risse und charakteristische Artefakte aufgrund von Strahlaufhärtung und der Aufnahmegeometrie (Feldkamp-Artefakte). Die realen Messdaten wurden im Anschluss an Messungen mit Hilfe der Iterativen Artefakt Korrektur für mehrmaterialige Objekte (IAR-M) [5][6][7] bearbeitet. Die Schwierigkeit lag hierbei in der Segmentierung der einzelnen Materialien. Auf diese Weise konnte der Einfluss von Artefakten aufgrund von Nichtlinearitäten verringert werden. In Abbildung 6 werden CT-Längsschnitte der realen, pinverstärkten Metall-FVK-Verbindung gezeigt, die zwischen einzelnen Zugprüfungen entstanden. Der Scan S0 stellt hierbei die CT-Analyse der unbelasteten Verbindung dar, S5 die Analysen der Verbindung nach Lastschritt 5. Bilder für S1-S4 sind auf Grund fehlender Unterschiede gegenüber S0 nicht dargestellt. In Abbildung 6a erscheint in hellem weiß die metallische Basisplatte, die an Ober- und Unterseite des Überlappungsbereiches mit 112

5 Simulierte Risse, Dicke = 150 µm Simulierte Risse, Dicke = 150 µm a) Längsschnitt der Verbindung (YZ-Schicht) b) Querschnitt der Verbindung (XY-Schicht) Abbildung 5: Ergebnisse der CT-Simulation Kugelpins besetzt ist. Über den Pins ist in hellem Grau die FVK-Struktur erkennbar, die auf Grund eines ungleichen Kompaktierungsgrades (Bereiche mit reinem FVK, Bereiche mit Pins und FVK darüber) eine wellige Oberfläche aufweist. Eine detaillierte Unterscheidung von Faserbündel und Matrixkunststoff ist im Überlappungsbereich nicht möglich, da die Ausprägung der Artefakte aufgrund des nichtlinearen Übertragungsverhaltens (Strahlaufhärtung, Streustrahlung) weit höher ist als jene der abzubildenden Struktur. Verstärkungsfasern und Matrixmaterial können an den linken FVK-Ausläufen etwas besser aufgelöst werden, da in diesem Bereich keine Artefakte durch metallische Strukturen auftreten. Dies kommt in Abbildungen 6a-c jedoch nicht zur Geltung. Knapp über den einzelnen Kugelköpfen sind aufgrund von Artefakten schwarze Flecken ersichtlich. Die Detektierbarkeit des Metall- FVK-Interface kann den Abbildung 6a 6b entnommen werden. Aus den generierten Bildern ist eine Aussage aber über den Zustand des Interface oder die Qualität der Verklebung vor Lastbeaufschlagung nicht möglich. In Detail 6c sind Risse erkennbar, die im Verlauf von Lastschritt 5 entstanden und für den ausgeprägten Krafteinbruch (vgl. Abbildung 3 Lastschritt 5 Punkt E5) verantwortlich sind. Die Risse (Abbildung 6c) reichen bis zur zweiten Pinreihe von rechts und beeinträchtigen maßgeblich die Steifigkeit der Verbindung für den letzten Lastschritt 6 (vgl. reduzierte Steigung von Lastschritt 6 in Abbildung 3). Artefakte aus der Bildrekonstruktion Anfangsriss a) Lastschritt 0 Scan S0 - unbelastet b) Lastschritt 5 Scan S5 c) Detail zu Abbildung 6b) Anfangsriss Abbildung 6: Röntgen CT-Scans der 3. Pinreihe vor Belastung (S0) und nach Last-/Entlastschritten E5 113

6 6 Zusammenfassung und Ausblick Ziel der Untersuchungen war die Ermittlung des Potentials der Computertomographie in der Detektion von Interface-Fehlstellen einer neuartigen Metall-FVK-Verbindung. Nach Ermittlung optimaler CT- Parameter mittels Scorpius XLab wurden abwechselnd CT-Messungen und Teillastzugversuche durchgeführt. Es resultiert eine gute Detektierbarkeit des Interface zwischen Metall und FVK bei gleichzeitiger Reduktion von Artekfakten aufgrund von Nichtlinearitäten im computertomographischen Aufnahmeprozess. Im Fall des unbelasteten Testbauteils ist das Interface gut erkennbar, eine Aussage über den Zustand des Interface bzw. die Qualität der Verklebung ist aber nicht möglich. Nach Belastung der Mischverbindung konnten auch größere Risse im Interface detektiert und dargestellt werden. Durch den Einsatz der Computertomographie ist eine bis dato nicht erreichte Schnittbildgebung der neuartigen -Metall-FVK-Fügetechnik erzielbar. Danksagung Die Autoren danken dem österreichischen Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT) und der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft mbh (FFG) für die Unterstützung im Rahmen des TAKE OFF Forschungsprojekts Innovative Gestaltungsprinzipien für Leichtbau-Mischverbindungen in Luftfahrt-Strukturen (Proj.Nr ). Weiterer Dank gilt der Europäischen Union und dem Freistaat Bayern für die finanzielle Unterstützung bei der Erarbeitung der verwendeten Verfahren zur Prüfung mittels Computertomographie. Referenzen [1] S. Ucsnik, M. Scheerer, S. Zaremba, D. H. Pahr, Experimental Investigation of a novel Metal- Composite-Joining Technology, Composites Part A 41 (2010) [2] A. Schierl, The CMT Process a Revolution in welding technology, Welding in the World (49) (2005) p. 38. [3] S. Ucsnik, D. H. Pahr, Investigation of novel composite-metal-joints, 11th Euro-Japanese Symposium on Multi-Materials Solutions for Industrial Applications, Porto, [4] S. Ucsnik, R. Gradinger, Evaluation of a novel Lightweight Metal-Composite-Joint Technology, Proceedings 14th European Conference on Composite Materials, Budapest, June [5] S. Kasperl, I. Bauscher, U. Hassler, H. Markert, S. Schröpfer, Reducing artefacts in industrial 3D computed tomography (CT), Proceedings Vision Modeling and Visualization, Akademische Verlagsgesellschaft, pp 51-57, [6] M. Krumm, K. Kasperl, M. Franz, Reducing Non-linear Artefacts of Multi-material Objects in Industrial 3D Computed Tomography, NDT & E International, NDT & E International, Vol. 41, No. 4, pp , [7] M. Krumm, K. Kasperl, M. Franz, Artefaktkorrekturen von heterogenen Werkstücken in der industriellen Computertomographie, Proceedings Fachtagung Industrielle Computertomografie, , Wels, pp , [8] J. Hiller, S. Kasperl, Analyse von Einflussgrößen beim dimensionellen Messen mittels Röntgencomputertomographie, Berichtsband DGZfP Jahrestagung Fürth, pp , [9] XCOM: Photon Cross Sections Database, NIST Standard Reference Database 8 (XGAM), url: Stand [10] Normierung e.v., DIN Deutsches Institut für Zerstörungsfreie Prüfung - Durchstrahlungsverfahren - Computertomographie (Entwurf). DIN EN , DIN EN , DIN EN , DIN EN , November