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Phased-Array-Prüfköpfe für luftgekoppelte Ultraschallprüfung auf Basis von zellulären Kunststoffen
(2023)
Luftgekoppelte Ultraschallprüfung setzt sich immer häufiger gegen die konventionelle Ultraschallprüfung von Leichtbaukomponenten durch, und zwar in vielen Industriezweigen von der Holzindustrie bis zur Luftfahrt. Während die Phased-Array-Technik mittlerweile zu dem industriellen Standard im Bereich der Prüfung mit Ankopplung gehört, wird luftgekoppelte Ultraschallprüfung meist mit zwei Wandlern in Durchschallung durchgeführt. Deswegen werden Vorteile der Phased-Array-Technik wie beispielsweise elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für luftgekoppelte Prüfung selten genutzt.
In diesem Beitrag werden die laufenden Arbeiten an der Entwicklung eines neuen Phased-Array-Geräts vorgestellt, mit dem Schwerpunkt an der Charakterisierung der Prüfköpfe und ihrer Schallfelder. Das Gerät besteht aus einem linearen Phased-Array-Prüfkopf, einer Sende- und einer Empfangseinheit. Die Hauptinnovation unserer Arbeit ist die Anwendung von zellulären Kunststoffen für den Bau eines Arrays, wobei der Sender mit Hochspannung von ca. 1500 V angeregt wird. Geladene zelluläre Polymere werden auch Ferroelektrete oder Piezoelektrete genannt. Sie weisen ein sehr niedriges Elastizitätsmodul und dadurch eine niedrige akustische Impedanz auf, so dass auf den Einbau von Anpassschichten verzichtet werden kann.
Eine sehr niedrige mechanische Kreuzkopplung bei Ferroelektreten ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre. Die Entwicklung der Array-Prüfköpfe wurde durch Berechnungen des Schallfeldes unterstützt, die auf Punktquellensynthese basieren. Die beabsichtigte Anwendung von Phased-Array-Prüfköpfen und des Prüfsystems sind die Durchschallung mit Fokussierung, elektronischer Scan und die Schwenkung des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, angewandt an carbonfaserverstärkten Kunststoffen und ähnlichen Materialien. Die Anwendung von geführten Wellen bietet die Perspektive, Bauteile mit einseitiger Zugänglichkeit zu prüfen.
Bei der Prüfung von Werkstücken mit empfindlichen Oberflächen oder auch hydrophilen Werkstoffen sind traditionelle ultraschallbasierte zerstörungsfreie Prüfmethoden wie die Kontakttechnik oder die Tauchtechnik in vielen Anwendungsfällen aufgrund der Flüssigkeitsankopplung nicht anwendbar.
Die luft-gekoppelte Ultraschallprüfung umgeht diese Problematik und eröffnet neue Prüfszenarien. Derzeit werden zwei Varianten der Schallerzeugung als vielversprechend angesehen: ferroelektrische Folien und thermoakustische Dünnschichtwandler. Thermoakustische Wandler ermöglichen die resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall und somit kurze zeitliche Impulse sowie eine sehr breitbandige Anregung. Durch die Verwendung von gekrümmten Substraten ist sowohl eine Herstellung von planaren als auch fokussierten Wandlern möglich.
Dieser Beitrag präsentiert die letzten Forschungsergebnisse im Bezug auf thermoakustischen Wandlern, welche derzeit in einen thermoakustischen Gruppenstrahler münden. Gruppenstrahler erlauben die simultane Änderung des Einschallwinkels, sowie die Verschiebung des Fokuspunktes während der Verwendung.
Durch die Verbindung beider Schlüsseltechnologien, der thermoakustischen Anregung und des Gruppenstrahlerprinzips, wird das Spektrum der klassischen ZfP-Anwendungen, sowie moderner Ansätze wie der Anregung von geführten Wellen oder der Strukturüberwachung erheblich erweitert und bereichert.
Dabei soll innerhalb dieses Beitrages auf die Modellierung des Schallfeldes, die elementweise Charakterisierung und verschiedene Anwendungsszenarien eingegangen werden.
Seit Jahren stellt die luftgekoppelte Ultraschallprüfung eine etablierte Alternative zur konventionellen Prüfung von Leichtbaukomponenten aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Automotive dar. Im Gegenteil zur flüssigkeitsgekoppelten Prüfung in Kontakt oder im Tauchbecken ist sie weniger invasiv und bietet daher zeitliche und finanzielle Anreize.
Normalerweise wird die luftgekoppelte Prüfung mit Einzelelementschwingern in Durchschallung realisiert, wohingegen die Gruppenstrahlertechnik bereits Industriestandard im Bereich der Kontakttechnik darstellt. Die damit verbundenen Vorteile wie die aktive Fokussierung oder, die gezielte Manipulation des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, finden im Bereich der luftgekoppelten Prüfung dabei noch wenig Anwendung.
Im Rahmen dieses Beitrags stellen wir die ersten Zwischenergebnisse des geförderten Projektes „PALUP – Phased- Array-Technik für Luftultraschall-Prüfungen“ vor. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Mehrelementschwingern auf Basis von zellulären Kunststoffen, die Entwicklung einer dedizierten Pulserstufe im Kilovoltbereich, sowie die nötige rauscharme messtechnische Auswertung jedes Einzelelements.
Zur Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern werden mehrere verschiedene Methoden und Verfahren angewendet. Durch die unterschiedlichen Herangehensweisen werden oft unterschiedliche Prüfkopfpara-meter und Schallfeldgrößen ermittelt, was einen direkten Vergleich von Datenblättern erschwert. Für die Charakterisierung von Kontakt- und Tauchtechnikprüfköpfen hat sich ISO 22232-2:2021 bereits etabliert, allerdings ist diese Norm nicht auf die luftgekoppelten Wandlertechnologien direkt übertragbar. Daher erkannten Hersteller, Forschungseinrichtungen und Anwender den Bedarf an einer Richtlinie zur einheitlichen Charakterisierung von luftgekoppelten Wandlern. Gemeinsam arbeiten sie aktuell im Rahmen des Unterausschusses „Luftgekoppelte Ultraschallprüfung“ der DGZfP an der Erstellung einer solcher Richtlinie mit dem Anspruch, die bestehende Normung um die luftgekoppelte Prüfung zu erweitern und somit die Vereinheitlichung der Charakterisierung dieser Wandler zu erleichtern.
In diesem Beitrag wird ein Überblick über den geplanten Inhalt der Richtlinie und über die Methoden zur akustischen Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern gegeben. Insbesondere werden verschiedene Methoden der Ermittlung von wichtigen Wandlerparametern wie z.B. Empfindlichkeit, Mittenfrequenz, Bandbreite, Fokusgröße und Fokusabstand dargestellt und verglichen.
Composite-overwrapped pressure vessels (COPV) are increasingly used in the transportation industry due to their high strength to mass ratio. Throughout the years, various designs were developed and found their applications. Currently, there are five designs, which can be subdivided into two main categories - with a load-sharing metal liner and with a non-load-sharing plastic liner. The main damage mechanism defining the lifetime of the first type is fatigue of the metal liner, whereas for the second type it is fatigue of the composite overwrap. Nevertheless, one damage type which may drastically reduce the lifetime of COPV is impact-induced damage. Therefore, this barely visible damage needs to be assessed in a non-destructive way to decide whether the pressure vessel can be further used or has to be put out of service. One of the possible methods is based on ultrasonic waves. In this contribution, both conventional ultrasonic testing (UT) by high-frequency bulk waves and wavenumber mapping by low frequency guided waves are used to evaluate impact damage. Wavenumber mapping techniques are first benchmarked on a simulated aluminium panel then applied to experimental measurements acquired on a delaminated aluminium-CFRP composite plate which corresponds to a structure of COPV with a load-sharing metal liner. The analysis of experimental data obtained from measurements of guided waves propagating in an aluminium-CFRP composite plate with impact-induced damage is performed. All approaches show similar performance in terms of quantification of damage size and depths while being applied to numerical data. The approaches used on the experimental data deliver an accurate estimate of the in-plane size of the large delamination at the aluminium-CFRP interface but only a rough estimate of its depth. Moreover, none of the wavenumber mapping techniques used in the study can quantify every delamination between CFRP plies caused by the impact, which is the case for conventional UT. This may be solved by using higher frequencies (shorter wavelengths) or more advanced signal processing techniques. All in all, it can be concluded that imaging of complex impact damage in fibre-reinforced composites based on wavenumber mapping is not straightforward and stays a challenging task.
Trotz moderner Sensortechnologien und Rekonstruktionsmethoden, findet die manuelle und automatisierte Ultraschallprüfung durch konventionelle Senkrecht- und Winkelprüfköpfe vielfach industriellen Einsatz.
Um einen flexiblen Prüfeinsatz und die Prüfbarkeit von einfachen sowie komplexen Geometrien zu gewährleisten, werden dort oftmals Vorlaufkeile für die Winkelprüfung mit Longitudinalwellen angewendet um eine Anzeigenschräglage und deren Reflektivität auszugleichen bzw. zu verbessern. Durch den unterschiedlichen Aufbau, im Vergleich zu integrierten Scherwellen-Winkelprüfköpfen, können jedoch während der Prüfung Fehlanzeigen generiert werden. Diese fehlerhaften Anzeigen beruhen auf Mehrfachreflexionen und Wellenumwandlungen innerhalb des Vorlaufkeils, aufgrund der Geometrie und können im Feld nur bedingt von realen Anzeigen unterschieden werden. Dieser Beitrag zeigt die geometrische Betrachtung bei der Verwendung von Vorlaufkeilen und wurde experimentell durch die Bestimmung der Richtcharakteristik und dem Einsatz von elektrodynamischen Sonden validiert. Des Weiteren ermöglichen die so gewonnenen Abhängigkeiten einen vom Keilwinkel abhängigen Verstärkungsausgleich und somit eine korrekte Größenbestimmung durch einen geeigneten Vergleichsfehler.
Regelwerke zur zerstörungsfreien Bestimmung des Reinheitsgrades wie das SEP 1927 und die ASTM E588 erreichen ihre Vergleichbarkeit unter Anwendung von - vergleichsweise einfachen - Referenzfehlern. Hinsichtlich Realisierbarkeit wird somit der Kompromiss zwischen Herstellung des Referenzfehlers und der erreichbaren Nachweisgrenze gefunden. Zur Weiterentwicklung über die Grenzen der SEP1927 hinaus, wurde der Versuch unternommen Fehler kleiner 500 μm herzustellen - welche aufgrund der geringen geometrischen Ausdehnung fertigungsbedingt schwierig zu realisieren sind. Bei den vergleichenden Untersuchungen kristallisierten sich zwei Fertigungsverfahren, Funkenerosion (EDM: electrical discharge maching) und die Fertigung der Bohrungen unter Verwendung eines Hochleistungslasers, als vielversprechend heraus. Zunächst wurden die Fehler mit beiden Verfahren in unterschiedlichen Größen (100, 250 und 100 μm) und Tiefen (1, 1,5 und 2 mm) unter Anwendung von computertomographischen Verfahren der Röntgenprüfung, die Geometrie der eingebrachten Fehlstellen und anschließend durch hochauflösende Tauchtechnikmessungen das Reflektionsverhalten charakterisiert.
In respect of modern approaches in material sciences and highly increased
requirements on materials on safety relevant components, quality management
and non-destructive testing reclaims a steadily increased meaning. The
destructive meaning of measuring the degree of purity is defined in DIN EN 10247
through metallurgical investigations, especially microsections.
For and comparable, but non-destructive testing due ultrasonic testing, the material
the SEP 1927 is a well-defined industry standard. A novel and alternative way
of reference block construction was focused by this work. The proposed amendments,
regarding the manufacturing and machining, are less time and cost consuming.
Verified by measurements the presented reference block fits the same acoustical
characteristics and the requirements of the guideline.
With increased usage of highly demanded, modern materials on safety
relevant parts (e.g. railway wheel sets, generator shafts, turbine disks, medical
implants, etc.) comprehensive analyses regarding the quality of the material are
requested. This gives a focus to non-destructive methods using ultrasound immersion
tank testing for classifying the degree of purity. Two autonomous standards,
ASTM E588 and SEP 1927, have been established for the definition, execution and
evaluation for this high resolution ultrasonic measurements on steel products.
The propagation of ultrasonic waves and the resulting sound field are strongly
dependent on the acoustical properties of the inspected material and the geometry
of probes and specimen. The definition of the measurement setup and the evaluation
methods appear to differ significantly in the given standards. ASTM E588 and
SEP 1927 prescribe the requirement for surface roughness and probe selection, are
using threshold based methods for cleanliness detection, but differ in computation
for the degree of purity. This has been the motivation for a comparison between
both standards with the main focus on amplitude depth dependency and overall spatial
resolution taking the influence of different material characteristics, geometry of
the specimen and sound fields into account.
A performance comparison between the use of non-focusing and focusing probes
respective to the threshold based detection will be presented in this contribution. In
addition, the usage of complex reconstruction algorithms (e.g. SAFT, echo tomography)
is compared with the traditional approaches of inclusion detection and
estimation of the degree of purity
Applications of fibre reinforced plastic (FRP) composites in modern industries are increasing due to their considerable advantages such as light weight and excellent mechanical properties. Accordingly, importance of operational safety of modern structures made of advanced composites by ensuring the material quality has led to increasing demands for development of non-destructive evaluation (NDE) systems. In the context of a European project entitled “Validated Inspection Techniques for Composites in Energy Applications” (VITCEA), the aim is to develop and validate traceable procedures for novel NDE techniques with contrasting damage detection capabilities in energy related applications such as wind and marine turbine blades, nacelles, oil and gas flexible risers. Accordingly, VITCEA focuses on optimization of ultrasonic tests (UTs) for quantitative defect detection and quality characterization of FRP structures. In this context, the present study describes the ultrasound field in heterogeneous composite materials. The theoretical predictions are compared with simulation results obtained from CIVA a software package dedicated to NDT simulations based on the asymptotic ray theory.