Inline-Qualitätsprüfung von FVK-Bauteilen

Der vollständige Aufbau des Messverfahrens mit Ultraschallgenerator, Messrechner, Motorsteuerung und Manipulator. Das umlaufende Tape simuliert ein Endlostape in der Produktion. Die Prüfköpfe lassen sich unabhängig zur Umlaufrichtung ansteuern.
Bildquelle: (IKT/Uni Stuttgart)

Aufgrund der Nachteile von Tapes aus einer duromeren Matrix bezüglich Lagerung und Verarbeitung beschäftigen sich neuere Forschungsvorhaben zu Faser-Kunststoff-Verbünden stattdessen mit Tapes mit thermoplastischer Matrix. Für die hier gezeigten Untersuchungen kamen Tapes mit unidirektio­nalen Kohlenstofffasern als Verstärkungsmaterial und einer Thermoplastmatrix aus Polyamid 6 (PA6) im Strangziehverfahren (Pultrusion) zum Einsatz ([i]; S. 40). Unabdingbar für das industrielle Weiterverarbeiten von Tapes ist eine lückenlose Dokumentation sowie Qualitätssicherung.

Die zugekauften Fasern und Matrixmaterialien von externen Lieferanten haben bereits eine erste Qualitätskontrolle durchlaufen. Die Qualitätssicherung des Endprodukts obliegt jedoch dem Hersteller der Tapes. Für die Produktion im großen Stil ist somit eine zeitnahe Inline-Prüfung wünschenswert, ohne dazu Proben entnehmen zu müssen. Daher bieten sich hier zerstörungsfreie Prüfmethoden an. Deren Vorteile liegen neben der Echtzeit-Auswertung zudem in der Möglichkeit, die Qualitätssicherung in eine vernetzte Produktion einzubinden, wie sie das Konzept Industrie 4.0 anstrebt. Im vorliegenden Fall kam die Prüfung mit luftgekoppeltem Ultraschall zum Einsatz, da dieses Verfahren keinen Strahlenschutz benötigt und es das Produkt berührungslos prüft.

Inline-Qualitätsprüfung von FVK-Bauteilen

Das Bild zeigt die in Tape-Probe TP1 künstlich eingebrachten Defekte. Oben ist ein Fotoausschnitt der Defekte zu sehen, darunter die schematische Darstellung derselben. Bildquelle: (IKT/Uni Stuttgart)

Analyse mit luftgekoppeltem Ultraschall

Das Frequenzband, welches luftgekoppelter Ultraschall verwendet, reicht von etwa 20 kHz bis über 500 kHz. Zum Vergleich: Das menschliche Gehör nimmt Frequenzen bis etwa 19 kHz wahr. Die obere Grenze des Ultraschall-Spektrums bedingt sich aus der zunehmenden Dämpfung des Signals in Luft mit steigender Frequenz. Die Anwendung des luftgekoppelten Ultraschalls benötigt zwei Prüfköpfe, Sender und Empfänger. Dabei sind drei Messanordnungen zu unterscheiden: senkrechte Durchschallung, schräge Durchschallung und einseitige Reemission. Bei den beiden Durchschallungsverfahren befindet sich das Tape zwischen Sender und Empfänger, bei der Reemissions­anordnung befinden sich Sender und Empfänger auf derselben Seite des Tapes, weshalb hierzu ein einseitiger Zugang zum Tape genügt. Die örtliche Auflösung ist bei Letzterem allerdings begrenzt. Bei der Schrägdurchschallung und der Reemissionsanordnung befinden sich die Prüfköpfe in einem Winkel von einigen Grad zur Tape-Oberfläche, wodurch eine Plattenwelle im Prüfkörper entsteht, anhand deren Ausbreitung sich Defekte und Fehlstellen erkennen lassen. Das Abscannen des Tapes und ein anschließendes Auswerten der empfangenen Signalamplitude, beziehungsweise der Phase, ermöglichen eine koordinatengetreue Abbildung der Fehlstellen.

Inline-Qualitätsprüfung von FVK-Bauteilen

Messergebnis der Tape-Probe TP3, dargestellt als mittlere Amplitude über der Position des Tapes inklusive Standardabweichung (blau) und dem daraus errechneten Gütefaktor (rot).
Bildquelle: (IKT/Uni Stuttgart)

Luftultraschall-Prüfsystem und Messstand für Endlostapes

Das Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart hat für das berührungslose und zerstörungsfreie Prüfen von Tapes einen Prüfstand konstruiert und aufgebaut. Für die Konstruktion nutzten die Ingenieure ein 3D-CAD-System. Aufgebaut haben sie es mithilfe von Aluminium-Profilen, Acrylglas-Elementen sowie Anbauteilen zur Antriebssteuerung.

Das Luftultraschall-System gliedert sich in einen Hardware- und einen Softwareteil. Der Hardwareteil besteht aus der Sende- und Empfangseinheit, sowie den beiden Prüfköpfen mit einer Resonanzfrequenz von f=500 kHz. Auf einem angeschlossenen Laptop läuft die Auswertesoftware, um das Prüfsystem zu bedienen.

Für das Entwickeln und Validieren des Messverfahrens haben die Wissenschaftler die Tapes mit unterschiedlichen Defekten versehen:

  • TP1: verschiedene eingebrachte Defekte
  • TP2: fehlerhafter Faservolumengehalt über komplette Länge
  • TP3: Übergang von korrektem zu fehlerhaftem Faservolumengehalt
  • TP4: Probe ohne sichtbare Defekte
  • TP5: Endlosband ohne sichtbaren Defekte

Um die Leistungsfähigkeit des Verfahrens zu ermitteln, definierten die Wissenschaftler verschiedene Mess­anordnungen: Neben zwei Prüfkopf­anordnungen, einseitig und beidseitig, untersuchten sie unterschiedliche Einschallwinkel auf die Tapeoberfläche. Darüber hinaus richteten sie die Einschallungsrichtung parallel oder senkrecht zur Faserrichtung aus.

Die Messergebnisse zeigen, dass das Prüfsystem bis auf die eingebrachten Impactschäden alle Defekte erkannte. Zusätzlich zum Phasenbild detektierte es mithilfe des Amplitudenbilds einen Schnitt im Tape quer zur Faser. Analysiert wurden die gewonnenen Daten mittels Matlab-Algorithmus.

Um das Tape TP3 zu analysieren, das den Übergang von gutem zu schlechtem Faservolumengehalt beinhaltet, wurde es in acht Bereiche unterteilt. Diese untersuchten die Ingenieure getrennt voneinander. Aus den Mess­ergebnissen berechneten sie die enthaltene Amplitude und deren Standard­abweichung.

Während diese in den Bereichen mit hohem Faservolumengehalt (bis 100 mm) sehr klein ausfiel, zeigten die Bereiche mit sinkendem Faservolumengehalt eine wesentlich höhere Standardabweichung. Der aus Amplitude und Standardabweichung errechnete Gütefaktor fällt demnach stark ab beim Übergang von hohem zu niedrigem Faservolumengehalt.

 

Inline-Qualitätsprüfung von FVK-Bauteilen

Diese Abbildung zeigt das Messergebnis des Tapes TP1. Die Nummerierungen verweisen auf die in Bild 1 gezeigten Defekte. Bis auf die eingebrachten Impactschäden wurde alle Defekte detektiert. Zusätzlich zum Phasenbild wurde mit dem Amplitudenbild ein Schnitt erkannt, der quer zur Faser verläuft. (BIldquelle: IKT/Uni Stuttgart)

Zweck erfüllt, Materialfehler erkannt

Wie die Untersuchungen zeigen, ist das Verfahren des luftgekoppelten Ultraschalls imstande, Inhomogenitäten in der Beschaffenheit des Tapes zu lokalisieren. Diese umfassen diverse mechanische Defekte und den Übergang zu einem zu geringen Faservolumen­gehalt. Die Simulation der Produktionsbedingungen eines Tapes mithilfe des vorgestellten Prüfstands für Endlostapes belegt, dass sich das Verfahren zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von Tapes eignet, ohne die Produktionsgeschwindigkeit zu beeinträchtigen. Die theoretische Messgeschwindigkeit des Demonstrators beträgt 5,35 m/min bei einer Auflösung von 1 x 1 mm. Diese lässt sich allerdings durch geeignete Hard- und Software um ein Mehrfaches erhöhen.

Die Ingenieure streben baldige Tests in Zusammenarbeit mit der Industrie an, um das Verfahren weiterzuentwickeln. Dabei wollen sie einerseits die Prüfköpfe in Arrays anordnen, andererseits das Verfahren in eine Inline-Qualitätssicherung einbinden. Durch Prüfkopfarrays lässt sich die komplette Breite von Tapes in Echtzeit untersuchen und zusätzlich die Genauigkeit des Verfahrens erhöhen. Darüber hinaus kann das Prüfverfahren zur Absicherung der Prüfaussage mit einer optischen Kontrolle oder einer Wirbelstromprüfung gekoppelt werden.

Generell eignet sich das Verfahren des luftgekoppelten Ultraschalls, um viele plattenartige Materialien zu prüfen. So kommt das Verfahren bereits erfolgreich zur Prüfung von Großbauteilen in der Luftfahrtindustrie zum Einsatz. Großes Potenzial hat der Einsatz von Thermoplast-Prepregs jedoch in der Automobilbranche zur Fertigung von leichten und hochfesten Bauteilen. Durch die dortigen großen Stückzahlen und eine meist stark vernetzte Produktion kommt hier der Vorteil einer Inline-Qualitätssicherung voll zum Tragen.

Literatur

[i] Lengsfeld, H.; Wolff-Fabris, F.; Krämer, J.; Lacalle, J.; Altstädt, V.: Faserverbundwerkstoffe: Prepregs und ihre Verarbeitung. München: Hanser Verlag, 2015. – ISBN 978-3-446-43300-7
[ii] Lang, K.: Zur Erweiterung des Spektrums von Faser-Kunststoffverbunden mit thermoplastischer Matrix – Einsatz unidirektional faserverstärkter Halbzeuge in hoch belasteten Strukturbauteilen des Automobil- und Flugzeugbaus. Darmstadt, Universität, Fachbereich Maschinenbau, Diss., 2012

 

Über den Autor

Wolfgang Adebahr

ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart.