Faserkunststoffverbunde zerstörungsfrei prüfen

Robotergestützte zerstörungsfreie Prüfung - (Bild: IKT).

Leichtbauwerkstoffe wie Faserkunststoffverbunde (FKV) werden aufgrund ihrer hohen Steifigkeit und Festigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht bereits in einer Vielzahl von technischen Systemen eingesetzt. Neben der Luft- und Raumfahrt zählen auch die erneuerbaren Energien sowie zunehmend der Automobilbereich zu den Anwendungsgebieten. Mit dem Leichtbautrend gehen dabei auch zunehmend komplexere Anforderungsprofile an entsprechende Bauteile und die eingesetzten FKV einher. Aufgrund der hohen Qualitätsansprüche in den Einsatzbereichen von FKV und der damit einhergehenden hohen Produktionskosten existiert ein steigender Bedarf an qualitätssichernden Methoden sowohl für die Produktion als auch für regelmäßige Inspektionen im Hinblick auf eine möglichst hohe Lebensdauer.

Bei der frühzeitigen Detektion von herstellungs- und betriebsbedingten Schäden kommt der zerstörungsfreien Prüfung an Leichtbaukomponenten eine tragende Rolle zu. Ein sehr mobiles Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung ist die ultraschallangeregte Thermografie auf Basis der lokalen Defektresonanz (LDR). Das Prinzip der LDR basiert darauf, dass jede Defektregion als ein lokaler Fremdkörper betrachtet werden kann, der aufgrund seiner geringen Masse und Steifigkeit eigene Resonanzfrequenzen besitzt. Durch die effiziente Bündelung der Anregungsenergie direkt und fast ausschließlich in den Defekt wird eine sehr hohe Selektivität erzeugt. Die Schwingungsverstärkung aufgrund von Defektresonanz beträgt 20-40 dB, was ausreichend ist, um ein thermisches Signal auch bei wenigen Watt elektrischer Leistung zu erzeugen.

Für die Qualitätssicherung von 3D-Hybridbauteilen, insbesondere für die Untersuchung der Verbindungsfestigkeit zwischen Metall und sogenanntem Organoblech, eignet sich vor allem die zerstörungsfreie Prüfung mittels luftgekoppelten Ultraschalls. Die Prüfung erfolgt kontaktlos, wodurch nachfolgende Prozessschritte wie Beschichten, Lackieren oder Kleben nicht beeinträchtigt werden.

Ein bisher weniger angewandtes, aber sehr leistungsstarkes Verfahren ist die Hochfrequenz(HF)-Wirbelstromprüfung. Voraussetzung ist die elektrische Leitfähigkeit des Prüfkörpers, wodurch auch Strukturen und Komponenten aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) geprüft werden können. Hierbei wird mit hohen Frequenzen von 1-100 MHz gearbeitet, da die elektrische Leitfähigkeit von CFK etwa drei Größenordnungen unter der von Aluminium liegt.

Sowohl Luftultraschallprüfung als auch HF-Wirbelstromprüfung können als scannende Verfahren robotergestützt durchgeführt werden. Hierdurch können sowohl die Detektionswahrscheinlichkeit (engl. Probability of Detection, POD) erhöht als auch die erforderliche Messzeit deutlich reduziert werden. Ein Beispiel für die automatisierte zerstörungsfreie Prüfung der aus CFK gefertigten Karosserie des BMW i3 zeigt das Bild.

Diese und andere neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung und weitere aktuelle Forschungsaktivitäten des IKT werden im Rahmen des 25. Stuttgarter Kunststoffkolloquiums vorgestellt.

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

25. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 22.-23. März 2017, Stuttgart

Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik (IKT), Stuttgart

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