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Simulation und Identifizierung von Delaminationen in kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen
(2017)
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe werden häufig in sicherheitsrelevanten Gebieten wie im Automobilbau und in der Luftfahrt eingesetzt. Hier besteht ein zunehmender Bedarf an zerstörungsfreien Prüfmethoden um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der eingesetzten Bauteile gewährleisten zu können. Aktive Thermographieverfahren ermöglichen die effiziente Prüfung großer Flächen mit hoher Auflösung in wenigen Arbeitsschritten. Ein wichtiges Teilgebiet ist die Ortung und Charakterisierung von Delaminationen, die sowohl bereits in der Fertigung als auch während der Nutzung eines Bauteils auftreten und dessen strukturelle Integrität schwächen können.
In diesem Beitrag beschäftigen wir uns mit der Modellierung und effizienten Finite-Elemente-Simulation solcher Delaminationen, sowie ihrer Rekonstruktion aus gemessenen Oberflächentemperaturen. Dabei sollen die Rekonstruktionsergebnisse nicht nur eine Ortung der Fehlstellen, sondern auch eine quantitative Beschreibung der geometrischen Abmessungen und des Umfangs der Schädigungen ermöglichen. Hier erlauben numerische Rekonstruktionsverfahren basierend auf der Simulation des dreidimensionalen Wärmetransports eine Defektrekonstruktion unter Berücksichtigung lateraler Wärmeleitungsprozesse sowie von anisotropen thermischen Materialeigenschaften. Da solche Verfahren sehr rechenaufwändig sind diskutieren wir schnelle heuristische Rekonstruktionsverfahren für die Anwendung in der Praxis.
High-energy radiography is traditionally used for the detection of defects in thick-walled, bulky components. It is also used for testing the integrity of components for civil and security-related applications, e.g. containers. The combination of high-energy sources with digital detector arrays or line cameras allows carrying out the tests either in a shorter time compared to film technique, or with higher contrast sensitivity.
The high-energy X-ray laboratory "HEXYLab" at BAM is a joint laboratory in which future users, manufacturers and scientists collaborate to initiate and develop joint development projects. The new universal manipulation system “HEXYTech” provides the engineering and technical base for meeting different requirements within HEXYLab.
Different types of trajectories for tube, object and detector can be programmed with a total of 13 rotational and linear axes. In particular, large objects with complex geometries can be examined. Measurements can be acquired as 2D images via standard radiography as well as 3D volumes from laminography or computed tomography reconstructions.
The general rules for the application of high-energy radiography with digital detectors (imaging plates, digital detector arrays) were determined within the framework of the European project "HEDRad" (High Energy Digital Radiography) and added to the standard DIN EN ISO 17636-2.
The paper gives an overview of the test technique and introduces several applications on the basis of experiments and reconstructed 3D- images.
The paper presents a numerical method to detect and characterise defects and inhomogeneities by means of active thermography. The objective was to determine the wall thickness of structure elements with an inaccessible back wall, e.g., elements of pipes or containers. As test specimens we used PVC samples with the thickness of about 2 cm that had spatial variations in the back wall geometry. Flash lamps provided the heating. To measure the thickness of the wall, we employed the LevenbergMarquardt method, which we applied here to experimental thermographic data for non-destructive testing. We started the inversion procedure by making a rough first estimation of the back wall geometry following the echo defect shape method, and then we calculated the thickness of the back wall. We found reasonable reconstruction results which differed from the real value significantly below 1 mm at the defect centre, whereas the error wais increased at the edge of the defect, depending on its shape and depth.