Zerstörungsfreie Prüfung von Sandwich-Verbundstrukturen

Einführung

Das Interesse an der Verwendung von Verbundwerkstoffen und Verbundstrukturen wächst in verschiedenen Branchen. Sie haben viele Vorteile, wie hohe Festigkeit, geringes Gewicht, isolierende Eigenschaften und Designvielfalt. Außerdem entfallen beim Fügen von Verbundstrukturen die Schweißprozesse. 

Sandwich-Verbundstrukturen haben prinzipiell zwei Außenflächen aus dünnen Platten aus festem und steifem Material, die durch eine dicke Schicht eines Kernmaterials, wie z.B. Schaumstoff oder Balsa, getrennt sind.

Wie alle anderen technischen Strukturen müssen auch Sandwich-Verbundstrukturen mit zerstörungsfreien Prüftechniken (ZfP) inspiziert werden, was jedoch recht schwierig ist, da die Energie, die diesen Komponenten für die Untersuchung zugeführt wird, aufgrund von Absorption und Streuung sehr stark gedämpft wird. Daher ist die korrekte Interpretation der empfangenen Energie und die Dimensionierung eine sehr anspruchsvolle Aufgabe.

Zielsetzungen

Das Ziel dieser Studie war der Einsatz von Ultraschallprüftechniken (UT), um künstlich induzierte Fehler innerhalb der Verbundstruktur aufzuspüren (Abbildung 1). Die Fehlstellen wurden als Seitentaschen und Sacklöcher mit flachem Boden hergestellt, die sich in verschiedenen Tiefen der Struktur befanden.

 

Abbildung 1. Sandwich-Struktur aus E-Glas/Vinylester mit Glasfasern in den Richtungen 0°/45°/90°/-45°
Abbildung 1. Sandwich-Struktur aus E-Glas/Vinylester mit Glasfasern in den Richtungen 0°/45°/90°/-45°

Methodik

Die Prüfung wurde in einem Ultraschall-Tauchtank durchgeführt, wobei die Proben, wie in Abbildung 2 dargestellt, in Wasser eingetaucht wurden. Die von der Ultraschall-Sonde (Abbildung 2c) erzeugte Ultraschallwelle durchdrang das Wasser und breitete sich im Inneren der Probe aus (Abbildung 2c). Alle Hindernisse im Inneren der Proben reflektierten die Welle. Durch die Analyse der reflektierten Wellen war es möglich, ein 2-dimensionales Bild der Reflexionen zu erstellen, das als C-Scan bezeichnet wird. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt.

Die Verwendung eines Standard-Fehlerdetektors wie Sonatest Sitescan ermöglichte auch die Erkennung der Fehler, wie in Abbildung 4 zu sehen ist.

Weitere Versuche wurden mit einem Phased-Array-System mit einer Sonde mit 32 Elementen durchgeführt, die die Energie auf die eingestellten Tiefen fokussierten. Das Phased-Array-System war nicht so erfolgreich wie die konventionelle Ultraschallprüfung.

Schlussfolgerungen

Sandwich-Verbundstrukturen mit Glasfasern können erfolgreich mit Ultraschalltechniken geprüft werden. Wenn möglich, sollte die Prüfung in einem Eintauchbecken durchgeführt werden, das die besten Ankopplungsbedingungen bietet. Falls dies nicht möglich ist, kann auch ein Standardprüfgerät eingesetzt werden.

Phased-Array-Einheiten haben wesentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Ultraschallprüfgeräten. Bei Verbundwerkstoffstrukturen bestimmt jedoch die Spannung, die an die Prüfköpfe angelegt wird, die Stärke der mechanischen Welle, die an den Verbundstoff abgegeben wird. Im Falle von Standard-Ultraschallprüfgeräten ist die Spannung fünfmal höher als bei einem Phased-Array-System. Je stärker die mechanische Ultraschallwelle ist, desto besser kann sie sich in dem akustisch anspruchsvollen Material ausbreiten und die Interpretation der erzielten Ergebnisse ist zuverlässiger.

 

Danksagung

In dieser Fallstudie werden die Arbeiten im Rahmen des Projekts „Engineering, Produktions- und Lebenszyklusmanagement für den vollständigen Bau von faserverstärkten Schiffen (FIBRESHIP)“ vorgestellt, das im Rahmen der Zuschussvereinbarung Nr. 723360 von der Europäischen Union im Rahmen von Horizon 2020 finanziert wurde.

Abbildung 2. Immersions-Aufbau. a) ZfP-Anlage, b) Prinzipskizze, c) 5 MHz Tauchsonde
Abbildung 2. Immersions-Aufbau. a) ZfP-Anlage, b) Prinzipskizze, c) 5 MHz Tauchsonde
Abbildung 3. C-Scan-Anzeigen aus der Verbundstruktur
Abbildung 3. C-Scan-Anzeigen aus der Verbundstruktur
Abbildung 4. A-Scan-Ergebnisse des Standardprüfgeräts
Abbildung 4. A-Scan-Ergebnisse des Standardprüfgeräts
Avatar Grzegorz Ptaszek Project Leader, Non-Destructive Testing (NDT)

Grzegorz (Greg) Ptaszek joined TWI in November 2013.  He is a doctor in mechanical engineering with 24 years’ experience in non-destructive evaluation.  Grzegorz has built up his knowledge and skills in a range of different roles including working in academia for Imperial College London, at a power generation plant, for a steel manufacturer and for a titanium manufacturer.  Grzegorz has also studied financial engineering and is the co-owner of a pump rotor patent.  In his current role in the Non-Destructive Testing team, Grzegorz works on a variety of projects employing various techniques such as non-linear ultrasonics, phased array, eddy current and computed tomography, and he also has extensive knowledge of thermography.

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