DE4402705C2 - Vorrichtung zum Prüfen von mehrschichtigen Bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen von mehrschichtig aufgebauten Bauteilen, insbesondere von Bauteilen aus wenigstens je einer unteren und oberen Decklage sowie einem dazwischenliegend angeordneten Kern in Sandwich-Struktur, bei der das zu prüfende Bauteil einer mechanischen Beanspruchung unterworfen wird, mit einer auf die zu prüfende Bauteiloberfläche aufsetzbaren, einseitig offenen Saugglocke, einer mit der Saugglocke verbundenen Absaugeinheit und einer die Bauteiloberfläche beaufschlagenden Wegmeßeinrichtung.

Eine solche Vorrichtung ist aus der US 50 65 630 bekannt.

Sandwich-Strukturen in Honigwaben-Bauweise, häufig auch als Honeycomb-Sandwich-Strukturen bezeichnet, bestehen aus einem Kern, der sogenannten Wabe, sowie aus wenigstens je einer unteren und oberen Decklage. Der Wabenkern kann aus Wachspapier oder aus einer Alumi­ niumfolie bestehen, während für die Decklagen in der Regel kohle- oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (CFK, GFK) oder aber Bleche aus hochfesten Aluminium­ legierungen verwendet werden. Die Waben besitzen eine je nach Einsatzzweck und Festigkeit sehr unterschied­ liche Schlüsselweite und Höhe; die Dicke der Decklagen kann stark variieren. Die Vorteile solcher Honigwaben- Sandwich-Strukturen beispielsweise gegenüber Integral- Frästeilen aus Aluminium- oder Titanlegierungen liegen vor allem in ihrer hohen mechanischen Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht. Aus diesem Grund finden sie gerade im Flugzeugbau überall dort Verwendung, wo Gewicht eingespart werden soll, ohne daß dies mit einer Einbuße an Festigkeit der Struktur verbunden ist.

Wichtig für die Verwendung derartiger Sandwich-Struk­ turen ist ein zuverlässiges Prüfverfahren, mit dem Schädigungen zuverlässig detektiert werden können. Solche Schäden können beispielsweise Ablösungen zwischen der Decklage und der Wabe, ein flächiger Wabenbruch oder auch sogenannte Impactschäden mit einer Deformation der Decklage und der Wabenstege sein.

Das wesentliche Problem bei der Prüfung von Honigwaben- Sandwich-Strukturen besteht darin, daß vielfach nur eine Seite einer Decklage einer Inspektion zugänglich ist, während die übrigen Bereiche der Struktur nicht direkt zugänglich sind. Ablösungen zwischen dieser zugänglichen Decklage und dem Wabenkern können in der Regel mit dem sogenannten Tap-Test detektiert werden, einer einfach durchzuführenden manuellen Klopf-Klang­ prüfung, bei der eine subjektive Fehlerbewertung der­ gestalt erfolgt, daß der betreffende Prüfer den Klang eines Bauteils beurteilt, nachdem er dieses kurz angeschlagen hat. Dieses einfache Prüfverfahren versagt allerdings bei tiefer liegenden Fehlern, wie einem Wabenbruch oder einer Ablösung im Bereich der nicht direkt zugänglichen Decklage. In diesen Fällen müssen aufwendigere Prüfverfahren, wie die mechanische Impedanzanalyse angewandt werden. Dieses Verfahren ist sehr empfindlich, wobei schon kleinste Strukturände­ rungen das Meßergebnis nachhaltig beeinflussen können. Insbesondere komplexe Wabenstrukturen mit unterschied­ lichen Wabenkörpern erfordern aufgrund der schwierigen Interpretation der Ergebnisse komplizierte und auf­ wendige Prüfanweisungen und ein entsprechend gut geschultes Personal. Zugleich setzen sie einen großen apparativen Aufwand voraus.

Ähnliches gilt auch für zwei weitere in derartigen Fällen anwendbare Prüfverfahren, die Ultraschallmeß­ technik und die sogenannte Shearography.

Eine auf ein Bauteil aufsetzbare Wegmeßein­ richtung ist aus der GB 13 17 886 bekannt.

Zwar ist es durch die DE 37 25 739 A1 sowie der GB 2 059 381 A bereits bekannt, im Bereich der Lebens­ mittelverpackungen die Dichtheit von versiegelten Ver­ packungen durch Unterdruckbeaufschlagung zu prüfen, bei der die durch den Unterdruck hervorgerufene Auslenkung detektiert und ausgewertet wird, jedoch handelt es sich bei diesen bekannten Vorrichtungen um stationäre Anlagen, die nicht für eine ambulante Bauteilprüfung geeignet sind.

Auf der anderen Seite ist aus der bereits erwähnten US 5,065,630 eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekanntgeworden, die für das Detektieren von Ermüdungsrissen in metallischen Flugzeugstrukturen (Bauteilen) eingesetzt werden soll. Diese bekannte Vorrichtung besteht aus einer Anzahl von Meßfühlern, die auf einem Trägersystem angeordnet sind, welches mittels einer Vielzahl von Saugnäpfen auf der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils befestigt wird. Nachdem die Meßfühler in Kontakt mit der Bauteilober­ fläche gebracht worden sind, wird das zu prüfende Bauteil bei dieser bekannten Vorrichtung einer mecha­ nischen Beanspruchung unterworfen, entweder, im Falle von Tragflächen, durch Aufbringen einer äußeren Kraft, oder, im Fall der Flugzeugzellen, durch Veränderung des Innendrucks in der Flugzeugkabine. Die Detektierung vorhandener Risse erfolgt bei dieser bekannten Vor­ richtung dann entweder durch akustische Meßverfahren, wie Ultraschall oder akustische Emission, durch elek­ trische Verfahren, wie Wirbelstromprüfung, durch Thermographie, oder aber mit Hilfe von Meßfühlern, bei denen mittels Holografie oder Shearografie winzige Wegänderungen erfaßt werden, die aus der Änderung der Steifigkeit der Struktur infolge des Vorhandenseins von Rissen resul­ tieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff so weiterzubilden, daß sie auf einfache und zuverlässige Art das Erkennen von Defekten in mehr­ schichtig aufgebauten Bauteilen, insbesondere in solchen mit einer Honigwaben-Sandwich-Struktur, ermög­ licht und daß sie einfach und kostengünstig zu fertigen ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches. Falls das Bauteil ein intaktes Honigwaben-Sandwich- Laminat ist, weist es bei definierter Belastungskonfiguration eine hohe Biegesteifigkeit auf. Bei Vorhandensein von Fehlern in Form einer Ablösung zwischen Decklage und Wabe nimmt diese Biegesteifigkeit bei ansonsten konstant gehaltenen Belastungsverhältnissen ab. Die Folge dieser Nachgiebigkeitsänderung ist eine höhere Verformung "S" der Struktur. Der Differenzbetrag zwischen der Verformung "S_o" einer unversehrten Struk­ tur und derjenigen einer fehlerbehafteten Struktur S = S - S_o ist somit ein Maß für den eingetretenen Steifigkeitsverlust aufgrund eines Materialfehlers in der Sandwich-Struktur. Mit der Vorrichtung zum Prüfen gemäß dem einzigen Anspruch kann diese Steifigkeitsänderung auf einfache und reproduzierbare Weise und ohne zusätzliche Belastungssysteme gemessen werden, wobei Bedienungs- und Interpretationsfehler praktisch ausgeschlossen sind.

Dadurch, daß bei der Vorrichtung zum Prüfen gemäß dem einzigen Anspruch das für den Prüfvorgang benötigte Vakuum mit Hilfe eines über einen Gelenkhebel betätigbaren Saughebers, wie er in ähnlicher Form beispielsweise auch zur Handhabung von Glas­ scheiben dient, erzeugt wird, ist diese Vorrichtung nicht nur besonders günstig zu fertigen, sondern zugleich auch hervorragend für einen mobilen Prüf­ einsatz geeignet. So kann diese Vorrichtung im Bereich der Flugzeugwartung für eine rasche Kontrolle der Flug­ zeuge zwischen einzelnen Flügen benutzt werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß viele Einzel­ messungen unmittelbar aufeinanderfolgend durchgeführt werden können.

In Abhängigkeit des Bauteilaufbaues ist die erfindungs­ gemäße Prüfvorrichtung in der Lage, auch Beschädigungen unterhalb der Toleranzgrenze noch zuverlässig zu detek­ tieren. Der zur Messung erforderliche Unterdruck beträgt dabei nur etwa 0,3 bar, wodurch die Gefahr einer Beschädigung auch von filigranen Bauteilstrukturen durch die Messung selbst zuverlässig auszuschließen ist.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Vorrichtung zur Prüfung (Prüfvorrichtung) mit einem zu prüfenden Bauteil,

Fig. 2 eine Detaildarstellung der in Fig. 1 gezeigten Anordnung und

Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Prüfvor­ richtung.

Die Abbildung gemäß Fig. 1 zeigt in weitgehend schema­ tisierter Weise einen Querschnitt durch eine zu prüfen­ de Honigwaben-Sandwich-Platte 1, die aus zwei Decklagen 2 und 3 und einem dazwischen befindlichen Wabenzellkern 4 aufgebaut ist, sowie durch eine darüber befindliche Prüfvorrichtung. Die Prüfvorrichtung besteht dabei aus einer zylindrischen Saugglocke 5, die im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels aus einem Aluminium­ werkstoff gefertigt ist und die über eine Ringdichtung 6 auf die Oberfläche der oberen Decklage 3 der zu prüfenden Sandwich-Platte 1 aufgesetzt ist. Das Profil der aus einer angegossenen Silikondichtmasse bestehen­ den Ringdichtung 6, insbesondere die leichte Abschrä­ gung von etwa 5° auf der Unterseite dieser Ringdichtung 6, sind in der Detaildarstellung in Fig. 2 erkennbar.

Die Saugglocke 5 ist über eine Druckleitung 7 mit einem Saugheber 8 verbunden, wie er in ähnlicher Form auch für die Handhabung und den Transport großer Glas­ scheiben benutzt wird. Anstelle einer Glasplatte ist der Saugheber 8 bei der hier beschriebenen Vorrichtung auf eine mit einer planen Oberfläche versehenen Platte 9 aufgesetzt. Der Saugheber 8 besteht dabei aus einer in einem Kunststoff- oder Aluminiumkörper 10 angeordne­ ten Gummiglocke 11, die mit ihrem Randbereich zwischen dem Aluminiumkörper 10 und der Platte 9 aufliegt und deren mittlerer Bereich mittels eines Handgriffes 12, wie in Fig. 1 durch einen Pfeil angedeutet, von der Oberfläche der Platte 9 abgezogen werden kann. Auf diese Weise wird in dem zwischen der Platte 9 und der Gummiglocke 11 entstehenden Raum 13 ein Unterdruck, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels in der Größenordnung von etwa 0,3 bar, erzeugt. Dieser Unter­ druck wird über die Druckleitung 7, die über eine in der Platte 9 befindliche Bohrung 14 in den Raum 13 mündet, in den Innenraum 15 der Saugglocke 5 über­ tragen. In diesen Innenraum 15 ragt schließlich ein Wegmeßsystem 16, im hier beschriebenen Fall eine ana­ loge Meßuhr mit einer Meßgenauigkeit von etwa 0,01 mm. An ihrer Stelle kann aber selbstverständlich auch ein digitales Wegmeßsystem verwendet werden, an das über­ dies eine Auswerteelektronik angeschlossen werden kann.

Das Verhältnis zwischen der von der Saugglocke 5 beauf­ schlagten Fläche und dem im Raum 15 herrschenden Unter­ druck ist so gewählt, daß die entstehende Zugkraft keine Schäden an einer intakten Struktur hervorrufen kann, daß aber räumlich begrenzte Ablösungen zwischen dem Wabenkern 4 und einer Decklage 2 bzw. 3, wie in Fig. 1 durch das Bezugszeichen 17 gekennzeichnet, zu einer Verformung der Struktur 1 führen, die als Signal der Größe "S" mit dem Wegmeßsystem 16 erfaßt werden können.

Die in Fig. 3 dargestellte Prüfvorrichtung entspricht in ihren wesentlichen Komponenten, d. h. Saugglocke 25 mit Meßuhr 26, Saugheber 28 und zwischen Saugglocke 25 und Saugheber 28 angeordnete Druckleitung 27, der vor­ angehend beschriebenen Anordnung. Um aber zu einer möglichst kompakten und besonders gut auch bei großen Bauteilen bzw. bei vertikal angeordneten Strukturen einsetzbaren Prüfvorrichtung zu gelangen, wurde bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung die Druckleitung in Form einer Längsbohrung 27 vorgesehen, die in einer Platte 29 angeordnet ist, auf der die Gummiglocke des Saug­ hebers 28 aufliegt.

Die Platte 29 ist bei der hier beschriebenen Prüfvor­ richtung fest auf der Außenfläche der Saugglocke 25 angeordnet, wobei im Verbindungsbereich dieser beiden Komponenten eine senkrecht zur Längsbohrung 27 ver­ laufende Bohrung den Raum 35 unter der Saugglocke 25 mit dem bei der Vakuumerzeugung im Saugheber 28 ent­ stehenden Unterdruckraum 33 verbindet. An ihrem der Saugglocke 25 abgewandten Endbereich weist die Platte 29 zwei Kunststoffüße 34 auf, mit denen sie sich auf der zu prüfenden Struktur abstützt.

Schließlich sei noch auf die in der Darstellung erkenn­ bare Gestaltung des Handgriffes 32 hingewiesen, der als Gelenkhebel ausgebildet ist und durch den die an der Gummiglocke 31 zur Vakuumerzeugung erforderliche Hub­ bewegung in eine Drückbewegung umgewandelt wird. Dieser Handgriff 32 ist gelenkig mit einem an der Gummiglocke 31 befestigten Stempel 37 verbunden und weist zwei unterschiedliche Anlageflächen auf, die unter dem Winkel von 20 bzw. 45° zur Horizontalen verlaufen und die zugleich zwei verschiedenen Raststellungen des Handgriffes 32 entsprechen.

Bei der praktischen Durchführung eines Prüfvorganges wird die Vorrichtung zunächst an einer Referenzplatte justiert. Diese Justierung kann auch an einem Bereich der zu prüfenden Struktur erfolgen, der als defektfrei angenommen werden kann. Anschließend wird die Vorrich­ tung auf das zu prüfende Bauteil aufgesetzt und der Handgriff wird bis zur ersten Raststellung herunter­ gedrückt. Auf diese Weise wird zunächst ein viel­ flächiges Anliegen der Saugglocke bzw. der Ringdichtung an der Bauteiloberfläche erreicht. In dieser Position wird zunächst der Nullpunkt abgelesen. Danach wird der Handgriff vollständig heruntergedrückt und dadurch das für die Messung erforderliche Betriebsvakuum erzeugt.

Sofern durch die Prüfung ein fehlerhafter Bereich des Bauteils erfaßt wird, zeigt das Wegmeßsystem einen Wert an, der einer durch das Vakuum hervorgerufenen Ver­ formung S der beaufschlagten Decklage der Struktur ent­ spricht und der eindeutig auf eine Ablösung hinweist. Als Beispiel sind in einem speziellen Fall Ablösungen bis zu einem minimalen Durchmesser von etwa 50 mm noch zuverlässig detektiert worden, wobei bei der hier be­ schriebenen Anordnung bereits Wegänderungen ΔS von etwa 0,5 mm zu beobachten sind. Der Gutwert beträgt hierbei 0,15 mm.

Zur weiteren Vereinfachung und Beschleunigung des Prüf­ vorganges ist es schließlich noch möglich, über eine elektronische Schaltanordnung, die das Meßsignal der Wegmeßeinrichtung auswertet, eine Fehlerindikation mittels einer Leuchtdiode und/oder Hupe vorzunehmen. Die von der Wegmeßeinrichtung gelieferten Signale werden dabei so ausgewertet, daß nur Verformungen ΔS oberhalb eines einstellbaren Grenzwertes zur Anzeige gebracht werden.

Claims (1)

1. Vorrichtung zum Prüfen von mehrschichtig aufgebauten Bauteilen, insbesondere von Bauteilen aus wenigstens je einer unteren und oberen Decklage sowie einem da­ zwischenliegend angeordneten Kern in Sandwich-Struktur, bei der das zu prüfende Bauteil einer mechanischen Be­ anspruchung unterworfen wird, mit einer auf die zu prüfende Bauteiloberfläche aufsetzbaren, einseitig offenen Saugglocke, einer mit der Saugglocke verbundenen Absaugeinheit und einer die Bauteiloberfläche beaufschlagen­ den Wegmeßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugeinheit ein Saugheber (8, 28) ist, daß die Saug­ glocke (5, 25) mit einem über einen Gelenkhebel (32) betätigbaren Saugheber (8, 28) verbunden ist und daß die Wegmeßeinrichtung (16, 36) im Rezipienten (5, 25) angeordnet ist.