Luftultraschallprüfung mit einseitigem Zugang für FKV-Bauteile mit hohem Komplexitätsgrad

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1 Seminar des FA Ultraschallprüfung Vortrag 9 More info about this article: Kurzfassung Luftultraschallprüfung mit einseitigem Zugang für FKV-Bauteile mit hohem Komplexitätsgrad Wolfgang ADEBAHR 1, Marc KREUTZBRUCK 1 1 Universität Stuttgart, Stuttgart, Deutschland Die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) gewinnt durch die zunehmende Verwendung von Faserkunststoffverbunden (FKV) als Leichtbauwerkstoffe in der Automobilindustrie immer mehr an Bedeutung. Vor allem das Ersetzen von sicherheitsrelevanten Bauteilen aus herkömmlichen Konstruktionswerkstoffen durch FKV verlangt eine sichere und zugleich wirtschaftliche ZfP. Durch anisotrope Eigenschaften kombiniert mit hochkomplexen Schadensmechanismen, verhält sich ein FKV z.b. bei einem Auffahrunfall sehr unterschiedlich und die Auswirkungen sind schwer vorhersagbar. Ziel der modernen ZfP ist es, eine schnelle, automatisierte und wirtschaftliche rot-grün Aussage treffen zu können, ob ein Bauteil weiter verwendet werden kann, oder nicht. Der Beitrag stellt die automatisierte Prüfung mit luftgekoppeltem Ultraschall in Schrägeinschallung vor. Es werden Probleme und Lösungsansätze aufgezeigt, die sich durch die Kombination eines Ultraschallgenerators mit einem Sechsachsroboters ergeben. Anschließend werden diverse Messbeispiele an 3D-Freiform Bauteilen und deren Auswertung aufgezeigt. Die Ergebnisse der Messungen können später in-situ in den laufenden Produktionsprozess eingespeist werden, hierdurch können umgehend die Prozessparameter kontrolliert und optimiert werden. Lizenz: 1

2 Luftultraschallprüfung mit einseitigem Zugang für FKV-Bauteile mit hohem Komplexitätsgrad Dipl.-Ing. Wolfgang Adebahr Seminar des Fachausschusses Ultraschallprüfung Ultraschallprüfung von komplexen Werkstoffen, Bauteilen und Verbindungen November 2015, Saarbrücken INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 1 Gliederung Einleitung Luftultraschall und geführte Wellen Fazit und Ausblick INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 2 2

3 Einleitung Moderne Faserverbund Anwendungsbeispiele Bildquelle: Porsche Airbus A 350 XWB Über 50 vol. % CFK Auflage: Porsche 918 Spyder CFK Monocoque Auflage: Bildquelle: Airbus INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 3 Luftultraschall und geführte Wellen Luftultraschall in Normaldurchschallung Normaldurchschallung Sehr große Impedanzunterschiede Über 99,9 % Reflexion an jeder Grenzfläche -20 db INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 4 3

4 Luftultraschall und geführte Wellen Generierung einer Plattenwelle Schrägeinschallung Generierung einer Plattenwelle bei bestimmtem Winkel Plattenwelle emittiert Ultraschall unter gleichem Winkel Empfangen von Ultraschall auf beiden Seiten des Probekörpers INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 5 Luftultraschall und geführte Wellen Prüfkopfanordnungen Transmissionsanordnung beidseitiger Zugang nötig kurze Laufstrecke der Plattenwelle hohe Auflösung Bildquelle: Dipl. -Phys. D. Döring, Dissertation, Uni-Stuttgart Reemissionsanordnung einseitiger Zugang ausreichend lange Laufstrecke der Plattenwelle Erzeugung von Doppelbildern Abschirmung notwendig INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 6 4

5 Verwendete Systeme ABB IRB 120 Sechsachsroboter DASEL Ultrascope TT INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 7 Genauigkeiten eines Roboters Positioniergenauigkeit Bahngenauigkeit Bildquelle: L. Beyer, Dissertation, Helmut-Schmidt-Universität, Hamburg INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 8 5

6 Lineare Bahninterpolation y r2 r1 x, 0, 0 Bahn zwischen zwei Punkten linear interpoliert Startpunkt und Endpunkt sind gleichzeitig die jeweiligen Ultraschallmesspunkte Für Messungen werden zuerst Messpunkte festgelegt, dann der Weg dazwischen linear interpoliert INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 9 Roboterwerkzeug INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 10 6

7 Übersicht Messsystem Robotersteuerung sendet Wegsignale in einem für Ultraschallsystem lesbaren Format Robotersteuerung über Bussystem mit Optopkopplerkarte verbunden Optokopplerkarte passt die Signalpegel an Ultraschallsystem an INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 11 Datenaufnahme Möglichkeiten der Datenaufnahme Konstante Geschwindigkeit und konstante Datenaufnahme Datenaufnahme über simulierte Encodersignale INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 12 7

8 Konstante Datenaufnahme mäanderförmiges Abfahren des Probekörpers mit konstanter Geschwindigkeit konstante Aufnahme von Daten erfordert Beschleunigungs- und Abbremsstrecken INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 13 Konstante Datenaufnahme Konstante Geschwindigkeit 150 mm/s CFK-Impactprobe 15 J, Plattendicke 4 mm Vorteile: Einfach zu realisieren Hohe Messgeschwindigkeiten bis 1000 mm/s möglich Nachteile: Vorlaufstrecken werden benötigt Geschwindigkeit nicht genau bestimmbar Encodersimulation wird bevorzugt 400 mm/s 10 mm 10 mm INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 14 8

9 Datenaufnahme durch Encodersimulation Bildquelle: Funktionsweise Encoder INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 15 Positionsbestimmung an komplexen Geometrien y-position x-position 3D- Bahnplanung Punkte entsprechen Ultraschallmesspunkten Rote Linien entsprechen der Bahn des Roboters Graue Linie entspricht Bauteilgeometrie Durch kurze Abstände der Messpunkte wird das Schneiden der Bauteilkontur minimiert INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 16 9

10 Position und Orientierung Bestimmung der Orientierung Parametrisierung mit MATLAB Bildung des Differenzenquotienten 2 Normalenvektor mit Differenzenquotienten,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 17 CFK-Heckrotorwelle Parametrisierung Eigenschaften Heckrotorwelle Flechttechnik Außendurchmesser 51 mm Wanddicke 3 mm M5 Mutter eingeklebt Messaufbau INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 18 10

11 CFK-Heckrotorwelle Ergebnis C-Scan an CFK-Heckrotorwelle 1 0 INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 19 CFK-Stringer Parametrisierung Eigenschaften CFK-Stringer Flechttechnik Wanddicke 3 mm Fehlerstellen an Oberseite Messaufbau INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 20 11

12 CFK-Stringer Ergebnis C-Scan an CFK-Stringer 1 Normierte Amplitude 0 INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 21 CFK-Fahrzeugdach eines MBW M3 Ausschnitt Messbereich 100 mm INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 22 12

13 CFK-Fahrzeugdach eines MBW M3 Parametrisierung Messbereich INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 23 CFK-Fahrzeugdach eines MBW M3 Messung an CFK-Fahrzeugdach INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 24 13

14 CFK-Fahrzeugdach eines MBW M3 Ergebnis C-Scan an CFK BMW M3 Dach INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 25 Fazit und Ausblick Zusammenfassung Kommunikation zwischen Ultraschallgenerator und Roboter erfolgreich Positionsbestimmung des Roboters über konstante Geschwindigkeit oder simulierte Encodersignale Detektion von Defekten in komplexen Geometrien erfolgreich INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 26 14

15 Fazit und Ausblick 3D-Digitalisierung und Messungen Zusammenführung von 3D-Digitalisierung und Luftultraschall Anflanschen beider Systeme an einen Roboter Bahnerstellung aus 3D-Messungen und anschließender Scanbetrieb Steigerung der Flexibilität, Genauigkeit und Schnelligkeit im ZfP-Bereich Bildquelle: steinbichler.de + INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK 27 15