Wissenschaftliche Artikel der BAM
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Organisationseinheit der BAM
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.
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.
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.
Zur Simulation des Schallfeldes von beliebig geformten konventionellen Schallquellen existieren viele Ansätze (EFIT, GPSS). Sie alle basieren auf der Annahme eines monochromatischen akustischen Signals, was meist eine gültige Annäherung darstellt. Allerdings sind bei thermoakustischen Quellen aufgrund ihrer Funktionsweise und der hohen Bandbreite viele der existierenden Ansätze nicht direkt anwendbar und können Beobachtungen bei der Vermessung von thermoakustischen Wandlern nicht vollständig abbilden und erklären.
In diesem Beitrag wurde die bekannte Methode der generalisierten Punktquellensynthese (GPSS) für die Berechnung von Schallfeldern von thermoakustischen Schallquellen angewendet. Dabei gehen zahlreiche Parameter wie die Dicke und Geometrie der leitfähigen Schicht, Krümmung des Substrats, sowie die Signalform der Anregung in die Simulation ein. Neu an dem präsentierten Ansatz ist die Abweichung von der üblichen monochromatischen Annäherung und die Berücksichtigung der großen Bandbreite von thermoakustischen Wandlern. Für die Validierung der Simulationen wurden Schallfelder von Quellen mit bekannter Anregung und Geometrie breitbandig durch ein optisches Mikrofon vermessen.
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.
Sandwich-Schalenstrukturen in situ charakterisiert mit Thermographie und Felddehnungsmessungen
(2018)
An der BAM wurde ein Schalenprüfstand entwickelt, mit dem typische Sandwichschalenstrukturen unter simulierter Betriebsbeanspruchung belastet werden können. Im mechanischen Ermüdungsversuch wurden in situ die Entstehung von Schäden in Schalenprüfkörpern mit Test-Imperfektionen mittels der passiven Thermographie und Felddehnungsmessungen verfolgt. Damit konnten der Zeitpunkt, der Schadensursprung und der Schadensfortschritt zerstörungsfrei bestimmt werden. Zudem wurden vergleichend Schalenprüfkörper mit Luftultraschall und der Röntgen-Laminographie untersucht. Im Rahmen eines BMWi-Forschungsvorhabens wurden die Schädigungsmechanismen evaluiert und Empfehlungen für die Praxis der Fertigung von Rotorblättern abgeleitet. In diesem Beitrag wird sich auf die Darstellung der ZfP-Verfahren und der ZfP-Ergebnisse konzentriert.
Common air-coupled transducers for non-destructive testing consist of a piezocomposite material and several matching layers. Better acoustical matching to air is achieved by transducers based on charged cellular polypropylene (PP). This material has about hundred times lower acoustic impedance than any piezocomposite, having about the same piezoelectric coefficient. The piezoelectric properties of cellular PP are caused by the polarization of air cells. Alternatively, a ferroelectret receiver can be understood as a capacitive microphone with internal polarization creating permanent internal voltage. The sensitivity of the receiver can be increased by applying additional bias voltage. We present an ultrasonic receiver based on cellular PP including a high-voltage module providing bias voltage up to 2 kV. The application of bias voltage increased the signal by 12 to 15 dB with only 1 dB increase of the noise.
This receiver was combined with a cellular PP transmitter in through transmission to inspect several test specimens consisting of glass-fiber-reinforced polymer face sheets and a porous closed-cell PVC core. These test specimens were inspected before and after load. Fatigue cracks in the porous PVC core and some fatigue damage in the face sheets were detected. These test specimens were originally developed to emulate a rotor blade segment of a wind power plant. Similar composite materials are used in lightweight aircrafts for the general aviation. The other inspected test specimen was a composite consisted of glass-fiber-reinforced polymer face sheets and a wooden core. The structure of the wooden core could be detected only with cellular PP transducers, while commercial air-coupled transducers lacked the necessary sensitivity. Measured on a 4-mm thick carbon-fiber-reinforced polymer plate, cellular PP transducers with additional bias voltage achieved a 32 dB higher signal-to-noise ratio than commercial air-coupled transducers.
Modern and energy-efficient materials are essential for innovative designs for aerospace and automotive industries. Current technologies for rapid manufacturing such as additive manufacturing and liquid composite moulding by polymer Extrusion allow innovative ways of creating robust and lightweight constructions. Commercially available printing devices often use polylactide (PLA) or acrylonitrile butadiene styrene (ABS) as raw material. Therefore, parameters like the infill ratio, influencing the ability to resist mechanical stress, may have a beneficial impact on the lifetime of components.
These manufacturing technologies require a good knowledge about materials and even adapted non-destructive testing technologies and methods. Airborne ultrasonic testing has beneficial advantages for testing those lightweight constructions. It is a contact-free testing method, which does not require a liquid couplant. Therefore, it allows fast test cycles without any unwanted alternations of the material properties due to interactions with any coupling liquid. This contribution deals with the characterisation of printed specimens based on PLA by using airborne ultrasound and presents the current edge of non-destructive testing and evaluation using airborne ultrasonic transducers. The specimens, manufactured by polymer extrusion, are printed as thin plates. The infill ratio, as well as the material thickness, were varied to model density imperfections with different geometric shapes and properties. For better understanding of the limits of airborne ultrasonic testing in transmission, we compared own-developed transducers based on different physical principles: on ferroelectrets, on the thermoacoustic effect, as well as a new type of transducers based on gas discharges.
Quantification of impact damages in CFRP and GFRP structures with thermography and ultrasonics
(2018)
The extent of damage caused by impacts in fibre reinforced composites depends on the energy of the impacts, on the velocity and the shape of the impacting body, on the material and structure of the composite and on the geometry of the structure. Here, mainly the thickness of the component is essential. The non-destructive evaluation of these damages can be carried out using both ultrasound and active thermography methods. A comparison of the detection sensitivity of these methods for the different damages is carried out in this paper depending on the fibre composite material used (CFRP and GFRP), the thickness of the material and the impact energy. The NDT methods used after the damage are supplemented by thermographic measurements with high temporal resolution, which were already recorded during the impact.
Um den sicheren Betrieb von Windkraftanlagen zu gewährleisten, werden Rotorblätter nach der Fertigung und nach Reparatur mit verschiedenen zerstörungsfreien Verfahren auf Schaden untersucht. Bei der Fertigung von Blattschalen, die in einer Sandwich-Schalenbauweise gefertigt werden, entstehen Imperfektionen, die unter Belastung zu großen Rissen führen können. Zur Prüfung von Blattschalen wird unter anderem Ultraschallprüfung in Kontakttechnik eingesetzt. Um den Wartungsaufwand von Ultraschallanlagen zu reduzieren und um manche Kompositstrukturen vor Koppelmittel zu schützen, wird die Anwendung von Luftultraschall erforscht. Insbesondere große Fortschritte gibt es im Bereich der Entwicklung neuer Wandler.
In diesem Beitrag berichten wir über die Luftultraschallprüfung von Schalen für Rotorblätter. Es wurden typische Sandwichschalenstrukturen hergestellt und mit einem eigenentwickelten Schalenprüfstand unter simulierter Betriebsbeanspruchung belastet. Die in den Schalenprüfkörpern entstandenen Schäden wurden außerhalb des Prüfstandes mit Luftultraschall in Durchschallung untersucht. Es wurden fokussierende Wandler auf Basis von Ferroelektreten entwickelt und für diese Prüfungen eingesetzt. Mit zusätzlicher elektrischer Vorspannung konnte die Empfindlichkeit der Empfänger deutlich erhöht werden. Die nach dem Lastwechsel entstandenen Schäden in den Rotorblattschalen waren eindeutig zu detektieren.