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Charakterisierung einer durch Überlast geschädigten GFK-Platte mit Thermografie und Ultraschall
(2013)
Eine GFK-Platte mit eingefräster Nut wurde in einem Zugversuch mit
ca. 90 kN belastet, was zu einer sichtbaren Veränderung an den Seitenflächen führte.
Anschließend wurde die Platte mit Ultraschall und Thermografie auf innere Schädigungen untersucht. Beide Verfahren konnten räumlich ausgedehnte Bereiche mit zahlreichen Anzeigen nachweisen, jedoch keine geschlossene Fläche. Mit UT wurden außerdem porenreiche oberflächennahe Schichten in dem Material detektiert. Diese Poren verringerten die Nachweisempfindlichkeit beider Messverfahren.
Faserverbundwerkstoffe wie kohlefaserverstärkte Kunststoffe CFK sind vergleichsweise schwer mit Ultraschall zu prüfen, weil die starke Dämpfung, der inhomogene Aufbau und die akustische Anisotropie die Wellenausbreitung behindern bzw. komplizieren. Die Folge ist, dass die Ansprüche an die Prüfung oft stark reduziert werden müssen. Die vorgestellte Prüftechnik nutzt die Möglichkeiten der räumlichen Fokussierung und des zweidimensionalen Winkelscans von Matrix Phased Array Prüfköpfen MPA in Kombination mit Echosignalüberlagerungsalgorithmen für eine substantielle Verbesserung der Auflösung und des Signal-Rausch-Verhältnisses. Sowohl bei der Ansteuerung des MPA als auch bei der Auswertung wird die Anisotropie des Werkstoffs berücksichtigt. Das MPA wird über die Oberfläche bewegt und an einer Anzahl von Messpunkten werden zweidimensionale Winkelscans durchgeführt. Das Ergebnis sind räumliche Echohöhenverteilungen, aus denen Schnittbilder oder auch Volumendarstellungen erzeugt werden können.
Anhand von Messungen an CFK-Platten mit Flachbodenbohrungen KSR 1 und 2 sollen die Empfindlichkeit und das Auflösungsvermögen der Prüftechnik demonstriert werden. Weiterhin werden Untersuchungen an Impaktschäden gezeigt, die typischerweise bei Faserverbundwerkstoffen bei starken punktförmigen Belastungen auftreten.
Die Kombination der Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) mit der Tauchtechnik stellt eine besondere Herausforderung dar. Zwei für SAFT notwendige Bedingungen – die große Schallbündeldivergenz und die Kenntnis über den Ort des Senders bzw. des Empfängers, der für die phasenrichtige Überlagerung der Echosignale genau bekannt sein muss – lassen sich einfach erfüllen, wenn kleine, fast punktförmige Sensoren direkt auf der Oberfläche des Prüfobjektes ankoppeln. Diese Anordnung ist in der Regel nicht vereinbar mit den praktischen Ansprüchen an die Signalqualität und die Flexibilität der Prüftechnik.
Werden jedoch Prüfköpfe mit üblichen Abmessungen und zudem noch mit Vorlaufstrecken verwendet, dann ist die Bestimmung der Sensororte und der Schalllaufwege durch die brechende Fläche nicht mehr trivial, wenn man die für SAFT geforderte Genauigkeit in Rechnung stellt.
Etwas anderes, aber ein im Prinzip einfacher Weg zur räumlichen Lokalisation von Echoquellen ist die Auswertung des 2D Sektorscans eines Matrixarrays und dessen dreidimensionale Darstellung. Durch gezielte Steuerung des Arrays gelingt auf einfache Weise die ortsrichtige Zuordnung.
Bei der laufenden Instandhaltung der Schienenfahrzeuge werden die
Radsätze auf Fehlerfreiheit geprüft. Dabei werden sowohl die Laufräder wie auch
die Radsatzwellen einer zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall unterzogen.
Im Fahrzeuginstandhaltungswerk Wittenberge der DB AG wurde im Jahre 2001 die
bisher eingesetzte Handprüfung bzw. eine teilmechanisierte Prüfung mit
konventioneller Technik durch eine mechanisierte automatische Prüfung mit
Ultraschall-Gruppenstrahlertechnik abgelöst. Es werden Radsatz-Vollwellen von
klotzgebremsten Güterwagen, die neben den beiden Radsitzen keine
Querschnittsübergänge aufweisen, und Vollwellen von scheibengebremsten
Personenzügen mit bis zu 3 Bremsscheiben geprüft. Dabei sind unterschiedliche
Bauarten und Geometrien zu berücksichtigen und auf radiale Fehler
(Oberflächenrisse) zu untersuchen, die ab einer Tiefe von 2 mm und einer
Ausdehnung von 20 mm mit einem Signal-Rausch-Abstand von mindestens 6 dB
nachzuweisen sind.
Aufgrund der vorliegenden Betriebserfahrungen wurde im Jahre 2007 eine
Erweiterung in Angriff genommen. Bei Radsatz-Vollwellen ohne Bremsscheiben
musste der Prüfumfang, der sich bisher auf Wellenschenkel, Notlauf und die
Querschnittsübergänge am Radsitz beschränkte, auf den gesamten Längenbereich
ausgedehnt werden. Dies unter der Vorgabe, lediglich die bereits installierten 4
Gruppenstrahler-Prüfköpfe von 4 festen Einschallpositionen aus in 2 Prüfschritten
einzusetzen. Zusätzlich verringerte sich die Längenausdehnung der geforderten
Fehlergröße auf 15 mm.
Erfahrungen bei der Prüfung von Radsatz-Vollwellen unterschiedlicher Bauarten
und Baujahre machten zusätzlich eine Justierfunktion bzw. einen
Empfindlichkeitsausgleich erforderlich. Vor allem bei älteren Bauarten treten hohe
Empfindlichkeitsschwankungen auf, die durch eine automatisierte
Verstärkungsanpassung kompensiert werden müssen. Hierzu wird während des
Prüfablaufs die Schallschwächung ermittelt, deren Ergebnis in automatisierter Form
in die Befunderstellung mit einfließt.
Der Beitrag stellt darüber hinaus die Herausforderung dar, die Umrüstarbeiten
innerhalb des laufenden Betriebs durchzuführen bzw. die notwendigen
Stillstandszeiten auf ein Minimum zu beschränken.
NDT is a multidisciplinary research area fusing the disciplines of natural Science and engineering. Particularly in the early development stages of a new testing method, feasibility investigations focus on the fundamental physical interaction between the sensing mechanism and specimen. Research activities during subsequent phases of modular prototype development, technical System Integration and Validation primarily attempt to solve the practical engineering and real-life aspects of a testing method. We show several examples of new methods in different stages of development and highlight the potential for further industrial use. The first section deals with Steel surfaces of lightweight components which are
inspected with pm-sized magneto resistive sensor arrays. This quantitative magnetic stray field approach combines high spatial resolution and very high sensitivity, enabling the user to detect even very small micro-defects. Tuming to CFRP components we also show new developments in airbome ultrasonic testing. Here we use ferroelectret foils to reduce the acoustical mismatch between transducer and air, which enhances the signal-to-noise ratio. A further example illuminates the use of metallic nano layers as a broadband thermo acoustical emitter. Their use provides both high sound pressures and very broadband Signal characteristics. When it comes to CFRP components and other anisotropic and highly Scattering materials, ultrasonic matrix arrays in conjunction with many angles of incidences per transducer position can help to enhance the statistics of a testing problem. In the field of conventional water-coupled UT testing we also show the use of matrix array transducers
providing a tomographic-like 3D-image of impact damage in CFRP samples.