DE3827229A1 - Verfahren und vorrichtung zur zerstoerungsfreien pruefung von faserverstaerkten kunststoffen mittels wirbelstromsonden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zer­ störungsfreien Prüfung von Halbzeugen und Bauteilen aus faserverstärk­ ten Kunststoffen, insbesondere von Sandwich- und Integralkonstruk­ tionen, mittels Wirbelstromsonden nach Anspruch 1.

Faserverstärkte Kunststoffe haben gegenüber metallischen Werkstoffen den Vorteil hoher mechanischer Festigkeit bei geringerem Gewicht. Deshalb finden sie zunehmend Verwendung für eine Vielzahl von Ge­ brauchsgütern, besonders in der Verkehrstechnik und hier wiederum besonders in der Flugzeug- und in der Raumfahrttechnik. Es besteht ein großer Bedarf an einem Verfahren, mit dem verdeckte Fertigungsfehler sowie äußerlich nicht erkennbare Betriebsschäden in Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen wirtschaftlich und vor allem sehr zuver­ lässig aufgespürt und eindeutig lokalisiert werden können.

Fertigungsfehler können z.B. Faseranhäufungen oder Harznester sein, als Betriebsschäden treten z.B. verdeckt im Material liegende Delaminationen, Risse, Brüche oder Absplitterungen auf, ebenso aber auch - besonders bei Sandwichkonstruktionen und Hybridstrukturen - Ab­ lösungen, insbesondere von Klebungen.

Bisher wurde für das Feststellen von Fertigungsfehlern und Betriebs­ schäden von faserverstärkten-Kunststoffen überwiegend das Ultraschall- und das Röntgenverfahren eingesetzt.

Die Nachteile des Ultraschallverfahrens sind der relativ hohe Aufwand, sowie die Forderung nach hochqualifiziertem Prüfpersonal. Technische Nachteile des Ultraschallverfahrens bestehen u.a. darin, daß die Eindringtiefe im Echoverfahren begrenzt ist, daß die notwendige akustische Ankopplung die Prüfung erschwert und daß eine Schadensauf­ findung in verdeckten, akustisch abgekoppelten tieferliegenden Werk­ stoffschichten nicht möglich ist.

Als Nachteile der Röntgenprüfung sind die begrenzte Aussagefähigkeit und die Erschwernisse durch die Strahlenschutzanforderungen zu nennen.

Der Einsatz der Wirbelstromtechnik für die Prüfung von metallischen Strukturen ist seit langem bekannt, ihre Erweiterung auf faserver­ stärkte Kunststoffe war und ist Gegenstand zahlreicher Forschungs­ arbeiten (z.B. O. Altmann u.a. in "Kunststoffe 75" - 1985 - 6, S. 346 ff.).

Bisher konnte mangels geeigneter Sonden/Geräte kein befriedigender, in hinreichender technischer Anwendungsbreite nutzbarer Einsatz der Wirbelstromtechnik für die genannten Faserwerkstoffe realisiert werden, der den zuverlässigen und eindeutig interpretierbaren Nachweis jeder Art von Irregularitäten oder Schäden in faserverstärkten Kunst­ stoffen erlaubt hätte.

Es besteht daher ein dringender Bedarf an einem Verfahren und an einer Vorrichtung, mit deren Hilfe Fertigungsfehler ebenso wie Betriebs­ schäden jeder auftretenden Art in faserverstärkten Kunststoffen zuver­ lässig entdeckt und lokalisiert werden können. Besonders wichtig ist, daß auch Fehler und Schäden in tiefer liegenden Schichten von Verbund­ werkstoffen, besonders hier von Mehrschichtkonstruktionen, sicher gefunden werden können.

Wegen der Größe der Untersuchungsobjekte, als Beispiel sei eine Flug­ zeugtragfläche genannt, besteht Bedarf sowohl an schneller manueller lokaler Prüfung als auch an großflächiger, mehr oder weniger auto­ matisierter Prüfung. Aufbauend auf der automatisierten Auswertung besteht ein Bedarf zur Erstellung von SOLL-IST-Vergleichen, z.B. Ver­ gleich eines fehlerfreien Musterteiles mit Serienteilen im Rahmen der Qualitätssicherung.

Ebenso besteht der Bedarf, die Meßwertecharakteristik von Neuteilen, z.B. Rotorblättern von Hubschraubern, mit der Meßwertecharakteristik desselben Teiles nach jeweils n Betriebsstunden schnell und ergebnis­ sicher bezüglich Veränderungen, also auch bezüglich eingetretener Schäden vergleichen zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 dargestellten Merkmale und durch die Ausgestaltung gemäß den Unteransprüchen 2-6 gelöst.

Die Erfindung geht von der Entdeckung aus, daß erst ganz bestimmte Kombinationen der beim Bau der Wirbelstromsonde verwendeten Materialien bei Einhaltung bestimmter Geometrien und bei bestimmten Prüffrequenzen und Feldstärken den gewünschten Effekt ermöglichen.

Der Aufbau von Wirbelstromsonden ist bekannte Technik, die verwendeten Elemente und Materialien sind ebenfalls bekannt. Alle bisherigen Aus­ führungen haben jedoch nur unbefriedigende Meßergebnisse erbracht; nur unter besonders günstigen Umständen und nur bei sehr speziellen Anwen­ dungen waren verwertbare Testergebnisse erzielbar. Die Meßergebnisse mit den bisherigen Wirbelstromsonden sind nicht geeignet, um darauf zuverlässig und sicher die Fertigungs- und Betriebskontrolle von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen aufzubauen.

Eine die gestellten Anforderungen erfüllende abgestimmte Prüfsonde ist z.B. durch folgende Kombination von Merkmalen und Maßen (Figur) gekennzeichnet:

Material des Schalenkerns: Ferrit T 38
Spule:
- Hf-Litze 20 × 0,05 mm Durchmesser
- Windungszahl: 61
- Material: Kupfer
- Spulenträger: Kunststoff
Prüffrequenz: 19 kHz
a = 3,0 mm Durchmesser;
b = 15,5 mm Durchmesser;
c = 18,0 mm Durchmesser;
d = 3,5 mm Durchmesser;
e = 4,0 mm Durchmesser.

Die Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau der Wirbelstromsonde, die er­ forderlichen Kondensatoren sind in das Prüfgerät ausgelagert. Die Spule 1 liegt in dem Spulenträger 2, dieser ist in den Schalenkern 3 eingepaßt. Eine Schutzhülse 4 dient zum Schutz und zur Führung.

Die prinzipielle Anordnung von Elementen zur automatischen Meßdaten­ gewinnung, -verarbeitung-, -speicherung und -auswertung sind bekannte Technik, ebenso wie die verwendeten Elemente, neu ist die Nutzung in dieser Kombination für diesen Zweck.

U.a. wegen des geringen Energiebedarfs für die Meßdatengewinnung und weil die nachgeordnete Meßdatenverarbeitung bis zur Speicherung und Auswertung offline erfolgen kann, ist der mobile Einsatz einer Wirbel­ strommeß- und -prüfanlage möglich und wirtschaftlich sinnvoll, besonders bei Prüfungen vor Ort ohne Ausbau des Prüfteils.

Claims (6)

1. Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Halbzeugen und Bauteilen auf Fertigungsfehler oder Betriebsschäden wie Delaminationen, Risse, Brüche und Ablösungen mittels Wirbelstrom, gekennzeichnet dadurch, daß die Prüfobjekte aus faserverstärkten Kunststoffen, deren Fasern elektrisch leitend sind, bestehen, die auch als Sandwichkonstruktion oder in Hybridstruktur ausgebildet sein können, und daß die zur Prüfung verwendete Sonde eine spezifische Abstimmung der Bauelemente, Maße und Leistungsdaten aufweist.

2. Verfahren und Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßsonde entweder manuell oder als Teil einer automatisierten Anordnung mit rechnergestützter Auswertung der Meßsignale und zusätz­ licher optischer und/oder akustischer Fehleranzeige geführt wird.

3. Verfahren und Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß bei automatisierter Führung der Meßsonde mit nach­ geordneter Rechnerauswertung Meßprotokolle von Prüfteilen erstellt, gespeichert und in SOLL-IST-Vergleichen ausgewertet werden.

4. Verfahren und Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Einsatz außer zur zerstörungsfreien Prüfung auch zur Überwachung von Komponenten während des Betriebes erfolgt.

5. Verfahren und Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Prüfung sowohl im ortsfesten wie im mobilen Einsatz erfolgen kann.

6. Verfahren und Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Prüfobjekt auch aus massiven, elektrisch schwach leitenden nichtmetallischen Werkstoffen bestehen kann.