ZfP

Problemstellung

In praktisch allen Bereichen der industriellen Produktion besteht der Wunsch die gefertigten Teile auf Fehler zu untersuchen und damit die Zuverlässigkeit des Teiles und des Endproduktes zu gewährleisten. Während Oberflächendefekte dem menschlichen Auge und optischen Inspektionssystemen relativ leicht zugänglich sind, ist das Auffinden von Fehlern innerhalb des Materials oder an verdeckten Klebe- und Schweißstellen nicht ohne weiteres möglich. Hierzu sind spezielle technische Verfahren und Geräte erforderlich. Für einen industriellen Einsatz besteht der Wunsch nach kurzen Prüfzeiten, geringen Kosten, hoher Sicherheit in der Prüfaussage und einer einfachen Bedienung. Sollen alle Teile, oder ein erheblicher Anteil davon, geprüft werden ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren unabdingbar.
Die Prüfung mit Ultraschall ist das klassische zerstörungsfreie Verfahren. Hierbei wird ein Schallpuls, mit einer auf die erforderliche Eindringtiefe und gewünschte Auflösung abgestimmten Mittenfrequenz, in das zu untersuchende Werkstück eingestrahlt. Die Auswertung der Schallreflexion aus der Tiefe erlaubt Aussagen über die dortigen Materialeigenschaften.
Die klassischen Ultraschallverfahren sind an weitgehend homogenen Proben sehr zuverlässig, liefern jedoch an Klebeflächen oder Schweißstellen oft keine zuverlässige Aussage. Darüber hinaus ist die Prüfung an großen Flächen wie beispielsweise Verkleidungen von Fahr- und Flugzeugen relativ aufwendig. Es besteht daher der Wunsch nach alternativen Verfahren, welche zur Lösung der genannten Problematik beitragen können.

Projektziele und Vorgehensweise

Das Projekt setzte sich zum Ziel folgende zerstörungsfreie Prüfprinzipien zu untersuchen und daraus, nach Möglichkeit, industriell einsetzbare Verfahren und Geräte abzuleiten.
Beim so genannten Nichtlinearen Ultraschall wird das Rückstreuecho von harmonischen Oberschwingungen ausgewertet. Schadhafte Stellen im Material lassen einen höheren Oberwellenanteil wie intakte erwarten. Dieses Verfahren zielt insbesondere auf die Untersuchung von Klebeflächen und Schweißnähten, sowie auf Faserverbundwerkstoffe.

Thermographische Verfahren nutzen die Umwandlung von eingebrachter Energie in Wärme und die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit des Materials bzw. der Fehlerstellen aus. Das an der Oberfläche entstehende Wärmebild kann mit einer empfindlichen Infrarotkamera aufgezeichnet werden. Im Projekt wurde das Prüfobjekt mittels Laser oder Hochleistungs-Blitzlampe angeregt. Zum einen wurde das pulsförmige Verhalten ausgewertet (Impulsthermographie), in einem zweiten Verfahren (Lock-In-Thermographie) erfolgt eine sinusförmige Anregung und die Bestimmung der Phasenverschiebung.

Als drittes Verfahren kam die Shearographie zum Einsatz. Hierbei wird der Prüfling einer durch Druck, Wärme oder Vibration verursachten Belastung unterzogen. Die Überlagerung von Bildern im belasteten und unbelasteten Zustand liefern Muster, welche auf den inneren Aufbau der Probe schließen lassen.
Bezüglich aller vorgenannten Verfahren erfolgten zunächst grundlegende systematische Untersuchungen an verschiedenen Proben, Materialien und Verbindungstechniken.

Ergebnisse

Die Untersuchungen mit Nichtlinearem Ultraschall lieferten keine ausreichend gute und zuverlässige Detektion von schadhaften Klebestellen. Grund hierfür ist eine kaum erhöhte Erzeugung von Harmonischen in schadhaften Bereichen gegenüber nicht schadhaften, sowie der überlagernde Oberwellenanteil des Schallwandlers.
Bessere Ergebnisse zeigten lose Schweißnähte und Fehler in Faserverbundwerkstoffen.
Die Impulsthermographie konnte an mit Zirkoniumkeramik beschichteten Metallproben sowohl die Schichtdicke als auch eine mangelnde Haftung sicher nachweisen. Derartige Beschichtungen finden sich an Turbinenschaufeln und an Flugzeugtriebwerken. In Kohlefaserverbundwerkstoffen ließen sich Delaminationen bis zu einer Tiefe von etwa 1,5mm nachweisen. Für den Einsatz in der Produktion von Kraftfahrzeugen wurde ein Industrieroboter mit einem thermographischen Prüfsystem kombiniert. Dies ermöglichte die Prüfung der verschiedenen Verklebungen an PKW-Türen bezüglich Klebstoffdicke, Porosität und Blechkontakt. Die Prüfzeit beträgt etwa fünf Minuten. Optimierungen lassen eine Verkürzung auf ungefähr eine Minute erwarten.
Die Lock-In-Thermographie zeigte gegenüber der Impulsthermographie eine um den Faktor zwei bis zehn höhere Auflösung von Schichtdicken. Gleichzeitig ist die thermische Belastung des Prüflings geringer. Dies ist beispielsweise bei der Untersuchung empfindlicher Kunststoffe und bei noch frischen Lackschichten von Vorteil. Die Prüfzeiten sind jedoch länger bei dem Impulsverfahren.
Die Shearographie lieferte insbesondere bei der Prüfung von Waben- und Leichtbaustrukturen aus Faserverbundwerkstoffen sehr gute Ergebnisse. Daher wurden zwei Demonstrator-Prüfsysteme aufgebaut. Das tragbare System besteht aus einem Prüfkopf, der Steuer- und Auswerteelektronik und einem Head-Up-Display. Der relativ handliche Prüfkopf erlaubt die Untersuchung von großflächigen Teilen, wie Rumpf- und Flügelstrukturen, im Radius von etwa zehn Meter um die Elektronik. Für Teile bis etwa einen Quadratmeter Fläche wurde ein ortsfestes System mit einer Prüfkammer aufgebaut. Erste Erprobungen verliefen erfolgreich.

Anwendungspotenzial

Den im Verbundprojekt weiterentwickelten Prüfverfahren erschließen sich weite Anwendungsfelder. Aufgrund ihrer Zerstörungsfreiheit lassen sie die Prüfung aller gefertigten Teile zu. Dies trägt insbesondere in kritischen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt und dem Automobilbau erheblich zur Sicherheit bei. Sie schaffen gleichzeitig die Basis für eine zuverlässige und dauerhafte Funktion von besonders beanspruchten Teilen. Da die getesteten Komponenten weiterverwendet werden können, entstehen dadurch auch Kostenvorteile. Durch einen weiter gesteigerten Automatisierungsgrad lassen sich die Kosten für die Prüfung in vielen Fällen auf ein akzeptables Niveau senken.