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10.02.2021, 06:00 Uhr | Lesedauer: ca. 3 Minuten    

Defektdetektion in Faserkunststoffverbunden mittels zer­störungs­frei­er Prüfmethoden

Luftultraschallroboterwerkzeug in Re-Emissions­an­ord­nung bei der Prüfung eines CFK-Luft­fahrt­bau­teils - (Bild: IKT).
Luftultraschallroboterwerkzeug in Re-Emissions­an­ord­nung bei der Prüfung eines CFK-Luft­fahrt­bau­teils - (Bild: IKT).
Faserkunststoffverbunde werden wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit in lastragenden Strukturbauteilen eingesetzt. Um ein unvorhergesehenes Bauteilversagen zu verhindern, muss frühzeitig nach Defekten gesucht werden, die sich unter Last zu einem größeren Schaden ausbreiten könnten. Nur so kann gewährleistet werden, dass Strukturen auch nach Jahren im Betrieb keine Schäden aufweisen und/oder diese rechtzeitig erkannt werden können.

An der Universität Stuttgart wird an zerstörungsfreien Prüfverfahren geforscht, um Schäden in Faserkunststoffverbunden frühzeitig zu erkennen und somit Bauteile sicherer zu machen. Beispielsweise wird die neue zerstörungsfreie Prüfungsmethode RACE (resonant air-coupled emission), basierend auf der lokalen Defektresonanz, entwickelt. Durch Anregen eines Bauteils mittels mechanischer Schwingungen und Frequenzvariation der Anregungsfrequenz treten an Schwachstellen – hervorgerufen durch Defekte – ausgeprägte, lokal starke Schwingungen auf. Diese lokalen Schwingungen treten mit einer solchen Intensität auf, dass auch die umgebende Luft zum Schwingen angeregt wird, was mit dem Mikrofonarray einer sogenannten akustischen Kamera erfasst werden kann.

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Weitere Forschungsaktivitäten im Bereich der Ultraschallprüfung umfassen die Mikrorisscharakterisierung in Faserkunststoffverbunden. Bei Faserkunststoffverbunden sind die Werkstoffeigenschaften stark richtungsabhängig und die finale Faserorientierung kann meist erst nach dem Herstellungsprozess durch zeit- und kostenintensive Probenpräparation bestimmt werden. Eine am Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart neu entwickelte Methode, basierend auf der Ultraschalldoppelbrechung, bietet im Vergleich zu konventionellen Methoden eine zerstörungsfreie Bestimmung der Schubmoduln und ermöglicht weiterhin die Erfassung der Faserorientierung ohne eine aufwendige Prüfkörperpräparation. Am Institut für Flugzeugbau (IFB) der Universität Stuttgart wird Ultraschall ebenfalls zur Schubmodulbestimmung genutzt. Die Methode der Ultraschalldoppelbrechung wird mit der prädiktiven Bestimmung des mikromechanischen Materialverhaltens kombiniert. Die mit der Messmethode ermittelten Kennwerte werden mit der mikromechanischen Simulation korreliert, wodurch Aussagen über einen möglichen Schädigungszustand im Bauteil getroffen werden können.

Die zentralen Aufgaben der zerstörungsfreien Prüfung bestehen in der Absicherung von Produktionsprozessen durch Sicherstellung der geforderten Qualität gefertigter Produkte, aber auch in der Prüfung von Bauteilen und Systemen im Betrieb. Das Wirbelstromverfahren zählt seit Jahrzehnten als äußerst zuverlässiges, aussagesicheres und auch wirtschaftliches Oberflächenprüfverfahren. Im Rahmen der aktuellen Forschung am IKT werden theoretische Betrachtungen mit FEM-Berechnungen kombiniert, um die Einflüsse der elektrischen Leitfähigkeit und der relativen Permittivität bei der Hochfrequenz-Wirbelstromprüfung faserverstärkter Kunststoffe systematisch zu untersuchen. Ziel ist die Generierung eines besseren Verständnisses für auftretende Verschiebungsströme in Faserkunststoffverbunden hinsichtlich deren Eindringtiefe, vorhandener Wechselwirkungen zwischen den Fasern, als auch generell deren Stärke im Vergleich zu Leitungsströmen.

Ergebnisse der zerstörungsfreien Prüfung bieten das Potenzial, als Feedback für vernetzte, adaptive Produktionsprozesse genutzt zu werden. Dabei müssen die Verfahren nicht nur automatisierbar und zuverlässig sein, sondern auch die Möglichkeiten der Digitalisierung nutzen. Am IKT werden in diesem Zusammenhang selbstlernende Algorithmen für Thermografiemessungen von Impactschäden angewandt. Zur Verarbeitung von Bilddaten werden sogenannte Convolutional Neural Networks eingesetzt. Auffällig ist dabei, dass zur sicheren Klassifizierung (95 Prozent Erkennungswahrscheinlichkeit) jeweils ein Trainingsdatensatz von wenigen 100 Messungen ausreicht. Die neu entwickelte Methode ist also äußerst robust.

Dies und weitere Themen aus dem Gebiet der Zerstörungsfreien Prüfung und der gesamten Breite der Kunststofftechnik erwarten die Teilnehmer während des erstmals digital stattfindenden Stuttgarter Kunststoffkolloquiums.

27. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 01.-04. März 2021, Stuttgart

Weitere Informationen:
www.ikt.uni-stuttgart.de/27.-stuttgarter-kunststoffkolloquium/, www.uni-stuttgart.de

Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik (IKT), Stuttgart

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