-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Verbundmaterialien mit mindestens zwei Materialschichten auf Enthaltungen zwischen den Materialschichten hin, sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
-
Die Verwendung von Verbundmaterialien bzw. -Werkstoffen nimmt in der Industrie immer weiter zu. Ein Verbundwerkstoff als Kompositwerkstoff bezeichnet, umfasst mindestens zwei Materialschichten, die gleiche aber auch unterschiedliche Materialien umfassen können. Durch die Verbindung zweier unterschiedlicher Materialien können dem Verbundwerkstoff andere bzw. bessere Eigenschaften als den einzelnen Komponenten verliehen werden. Ein Beispiel eines weit verbreiteten solchen Verbundwerkstoffes ist der so genannte glasfaserverstärkte Kunststoff GFK.
-
Die vorteilhaften Eigenschaften eines derartigen Verbundwerkstoffes hängen maßgeblich von der Qualität der Verbindung miteinander bzw. Haftung der Schichten aneinander ab. Falls die Verbindung nicht oder zumindest nicht überall vollständig gegeben ist, kann der Verbundwerkstoff unter Belastung versagen. Daher ergibt sich die Fragestellung, ob eine Haftung (etwa Verklebung) zwischen den Materialschichten vorliegt bzw. an welchen Stellen diese Haftung nicht vorliegt. Stellen, an denen die Haftung der Schichten miteinander nicht gegeben ist, werden daher auch als Enthaftungen bezeichnet.
-
Eine Prüfung auf unerwünschte Enthaftungen hin ist daher wichtig. Um sicherzustellen, dass bei einem gegebenen Werkstück keine Enthaftungen vorliegen, sind Prüfverfahren bekannt, die mit einer zumindest teilweisen Zerstörung des Werkstücks einhergehen. Solche Prüfungen können aber höchstens Fehler bei der Produktion des Werkstücks offenbaren. Für gegebene Werkstücke, die tatsächlich eingesetzt werden, sind solche daher Prüfungen nicht möglich. Stattdessen sind zerstörungsfreie Prüfverfahren nötig, die eine Verwendung des geprüften Werkstücks nach der Prüfung zulassen.
-
Nach derzeitigem Stand der Technik ist es nicht möglich, mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren Enthaftungen zwischen direkt bzw. bündig aufeinander liegenden Schichten zu erkennen, da kein zum Nachweis erforderliches Zwischenmaterial wie z. B. Luft oder andere Fluide/Flüssigkeiten vorhanden ist. Bisher ist es lediglich möglich, auf zerstörungsfreie Weise Enthaftungen in Materialien nachzuweisen, bei denen ein Abstand zwischen den enthafteten Schichten besteht, also beispielsweise Lufteinschlüsse etc.
-
Aus der Patentschrift
DE 3880581 T2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem flüssige Kontaminationen in einem Ölfass durch eine akustische Quelle in Bewegung versetzt und über eine Mikrowellen-Dopplereinheit detektiert werden.
DE 297 17 736 U1 beschreibt eine Prüfung von Verbundwerkstoffen durch temperaturabhängige Ausdehnungen, die akustisch erfasst werden.
DE 102 02326 A1 nutzt ein Thermographieverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Delaminationen.
-
Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein zerstörungsfreies Prüfverfahren und eine dafür geeignete Vorrichtung vorzuschlagen, mit der die Probleme mit der herkömmlichen Technik beseitigt oder vermindert werden können.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Materialverbunds mit mindestens zwei Materialschichten bereitgestellt, umfassend
- – Beaufschlagung des Materialverbunds mit einem drahtlosen elektromagnetischen Signal;
- – akustisches Anregen des Materialverbunds durch tonfrequente oder klopfende mechanische Schwingungen, um eine räumliche Trennung von Materialschichten in Bereichen von Enthaftungen in dem Materialverbund zu erzeugen; und
- – Erfassen des vom Materialverbund reflektierten und/oder transmittierten elektromagnetischen Signals.
-
Mit der Erfindung wird es ermöglicht, mittels Prüfung durch beispielsweise Mikrowellenbestrahlung Enthaftungen von direkt aufeinander liegenden Schichten zu erkennen. In Bereichen, in denen derartige Enthaftungen vorliegen, wird durch die akustische Anregung erfindungsgemäß ein Abstand zwischen den Schichten geschaffen. Dadurch wird hier der Nachweise der Enthaltungen möglich. Die Erfindung kann bei diversen möglichen Enthaltungen in elektrisch nicht leitenden Werkstoffverbünden angewendet werden, beispielsweise in GFK-Schichten wie Blattfedern und Rotorblättern, zwischen Lack und Trägeroberfläche, zwischen GFK und Holz (ebenfalls etwa in Rotorblättern verwendet).
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter
- – Erzeugen einer Repräsentation des erfassten reflektierten und/oder transmittierten elektromagnetischen Signals zur Anzeige und/oder Weiterverarbeitung.
-
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das akustische Anregen durch direkten Kontakt mit dem Materialverbund.
-
Durch das Fehlen beispielsweise eines Ultraschallbades kann das Verfahren einfacher, schneller und kostengünstiger ausgeführt werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist das drahtlose elektromagnetische Signal ein Mikrowellensignal.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird während des Erfassen des reflektierten und/oder transmittierten elektromagnetischen Signals die akustische Anregung in ihrer Stärke variiert.
-
Das schließt eine Variation der Intensität bis hin zu einer Null-Intensität ein, d. h. die akustische Anregung kann auch während der Abtastung auch unterbrochen werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Teilbereich des Materialverbunds mit dem drahtlosen elektromagnetischen Signal beaufschlagt, und der Teilbereich über die Zeit variiert wird.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Materialverbunds mit mindestens zwei Materialschichten bereitgestellt, umfassend
- – einen Sender, der angepasst ist, den Materialverbund mit einem drahtlosen elektromagnetischen Signal zu beaufschlagen;
- – einen Empfänger, der angepasst ist, das vom Materialverbund reflektierte und/oder transmittierte elektromagnetische Signal zu erfassen; und
- – eine Schallquelle, die angepasst ist, den Materialverbund akustisch anzuregen, um eine räumliche Trennung von Materialschichten in Bereichen von Enthaftungen in dem Materialverbund zu erzeugen.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiter
- – eine Steuereinheit, die angepasst ist, eine Repräsentation des erfassten reflektierten und/oder transmittierten elektromagnetischen Signals zur Anzeige und/oder Weiterverarbeitung zu erzeugen.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiter
- – eine Anzeigevorrichtung, die zur Anzeige der Repräsentation des erfassten reflektierten und/oder transmittierten elektromagnetischen Signals angepasst ist.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist die Schallquelle angepasst, das akustische Anregen durch direkten Kontakt mit dem Materialverbund auszuführen.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der Sender bzw. Empfänger ein Mikrowellen-Sender bzw. -Empfänger und das drahtlose elektromagnetische Signal ein Mikrowellensignal.
-
Gemäß einer Ausführungsform sind der Sender und der Empfänger in einer Sender/Empfängereinheit kombiniert.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist die Schallquelle angepasst, während des Erfassens des reflektierten und/oder transmittierten elektromagnetischen Signals die akustische Anregung in ihrer Stärke zu variieren.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung angepasst, einen Teilbereich des Materialverbunds mit dem drahtlosen elektromagnetischen Signal zu beaufschlagen, und den Teilbereich über die Zeit zu variieren.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiter
- – einen Manipulator, der angepasst ist, die Variation des Teilbereiches durch Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Materialverbund und der Vorrichtung auszuführen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
-
2 zeigt eine schematische Ansicht der Ausführungsform von 1 mit aktivierter akustischer Anregung; und
-
3 zeigt eine schematische Ansicht der Ausführungsform von 1 während der Erfassung einer Enthaltung.
-
Detaillierte Beschreibung
-
In 1 ist schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegende Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung umfasst einen Sender/Empfänger 2 für Mikrowellenstrahlung, eine Steuereinheit 6 und eine Anzeigevorrichtung 8. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Schallquelle 4, die hier lediglich symbolisch dargestellt ist. Die Schallquelle 4 ist dazu eingerichtet, mittels tonfrequenter oder klopfender mechanischer Schwingungen eine Anregung auszuführen. Die Vorrichtung ist geeignet, um einen Verbundwerkstoff 10 aus zwei Materialschichten (hier obere/untere Schicht) auf Enthaltungen zu prüfen.
-
Der Sender/Empfänger 2 ist mit der Steuereinheit 6 verbunden, welche aus den Signalen, die der Sender/Empfänger 2 von dem Werkstoffverbund in Reaktion auf eine Beaufschlagung empfangt, eine Repräsentation zur Weiterverarbeitung bzw. Anzeige durch die Anzeigevorrichtung 8 erzeugt. Die Steuereinheit 6 kann alternativ zu der Verbindung mit der Anzeigevorrichtung 8 mit einer Schnittstelle versehen sein, um die erzeugte Repräsentation zur weiteren Verarbeitung und/oder Anzeige durch eine externe Vorrichtung, etwa ein Computersystem, weiterzugeben.
-
Der Verbundwerkstoff 10 besteht aus einer oberen Schicht 12 sowie einer unteren Schicht, von der drei verschiedene Bereiche 14, 16 und 18 hervorgehoben sind. Es ist zu beachten, dass die drei Bereiche 14, 16 und 18 zu der gleichen, einstückigen Materialschicht gehören und nur der Verdeutlichung dienen. In den Bereichen 14 und 18 ist in diesem gezeigten Beispiel eine einwandfreie Haftung bzw. Verklebung mit der oberen Schicht 12 gegeben. In dem Bereich 16 ist eine nicht intakte Haftung bzw. Enthaltung an der oberen Schicht 12 gegeben.
-
Es ist anzumerken, dass die obere Schicht 12 und die untere Schicht 14, 16, 18 aus verschiedenen oder aus gleichen Materialien bestehen können. Die Erfindung eignet sich in gleicher Weise für das Erkennen von Enthaltungen bei gleichen wie auch bei verschiedenen Materialschichten.
-
In der dargestellten Situation ist der Mikrowellen-Sender/Empfänger 2 in Betrieb, angedeutet durch zwei Pfeile. Die gesendete Mikrowellenstrahlung, welche den Verbundwerkstoff beaufschlagt, ist dabei mit einem Pfeil mit durchgezogener Linie dargestellt. Die daraufhin von dem Werkstoff reflektierte Strahlung ist mit einem umgekehrt gerichteten Pfeil mit gestrichelter Linie dargestellt.
-
Die Schallquelle 4 ist in der gezeigten Situation außer Betrieb. Der Verbundwerkstoff ist daher nicht angeregt und befindet sich im Ruhezustand, so dass sich der Abstand zwischen Verbundwerkstoff 10 und Sender/Empfänger 2 nicht ändert. Dies führt zu der Anzeige eines entsprechenden Signals in der Anzeigevorrichtung 8, was in der 1 stellvertretend durch ein punktuelles Signal dargestellt ist.
-
2 zeigt die Ausführungsform von 1 mit aktivierter Schallquelle 4. Daher wird der Verbundwerkstoff 10 akustisch angeregt. Der Sender/Empfänger 2 tastet hier wie in 1 eine Stelle 14 des Verbundwerkstoffs 10 ab, an der die Haftung zwischen der unteren Schicht und der oberen Schicht 12 intakt ist.
-
Aufgrund der akustischen Anregung befindet sich der Verbundwerkstoff 10 abweichend von der Situation in 1 nicht mehr im Ruhezustand, so dass sich der Abstand zwischen dem Sender/Empfänger 2 über die Zeit ändert. Dies führt zu der Anzeige eines entsprechenden Signals in der Anzeigevorrichtung 8, was in der 2 stellvertretend durch ein Signal in Form eines Kreisausschnitts dargestellt ist.
-
3 zeigt eine ähnliche Situation wie in 2, wobei hier allerdings der Sender/Empfänger 2 eine Stelle 16 des Verbundwerkstoffs 10 abtastet, an der die Haftung zu der oberen Schicht 12 nicht gegeben ist. Daraus resultiert aufgrund der akustischen Anregung eine zeitlich variierende Abstandsänderung zwischen dem Verbundwerkstoff 10 bzw. der oberen Schicht 12 und dem Sender/Empfänger 2, analog zu der Situation in 2.
-
Allerdings kommt es aufgrund der Enthaftung im Bereich 16 zusätzlich dazu zu einer davon abweichenden Abstandsänderung zwischen dem Bereich 16 und dem Sender/Empfänger 2 (hier mit ausgefüllten Pfeilen dargestellt). Im Bereich 16 der Enthaftung führt die akustische Anregung zur Ausbildung einer (hier übertrieben dargestellten) räumlichen Trennung zwischen oberer Schicht 12 und dem nicht haftenden Bereich 16 der unteren Schicht. Dies führt zu der Anzeige eines entsprechenden Signals in der Anzeigevorrichtung 8, was in der 3 stellvertretend durch ein Signal in Form eines aufgespreizten Kreisausschnitts dargestellt ist.
-
Die fehlende Verklebung bzw. Enthaltung lässt sich durch das Signal eindeutig nachweisen, das von dem Signal bei intakter Haftung abweicht. Dabei kann die Größe der Aufspreizung bzw. Abweichung von dem „Intakt-Signal” ein direktes Maß für die Starke der Enthaltung darstellen.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform erfolgt die Anregung mittels Schlag (Impuls). Die eingebrachte Energie beträgt 1 J. Die beaufschlagte Fläche beträgt ca. 20 cm2. Die Frequenz der verwendeten Mikrowellenstrahlung beträgt 24 GHz, bei einer Leistung von 2 mW. In diesem Beispiel ist der Nachweis einer Enthaltung zwischen zwei GfK-Platten mit einer Dicke von jeweils ca. 8 mm möglich.
