Projekte

Ausgangssituation

Luftfahrtstrukturen aus CFK-Laminaten bieten den Vorteil eines beanspruchungsgerechten Designs. Sie weisen aufgrund ihres Aufbaus aber nicht die Schadensmechanismen auf, die von konventionellen Aluminium- und anderen Leichtmetallstrukturen bekannt sind. Zusammenstöße (Impacts), wie sie beispielsweise durch Vogel-, Stein- und Hagelschlag oder Unachtsamkeiten bei Servicearbeiten am Boden hervorgerufen werden können, erzeugen Delaminationen. Solche Schadensmechanismen sind typisch für Faserverbundwerkstoffe wie Kohlefaserverbunde (CFK). Das Ausmaß der Schädigung kann jedoch durch Sichtprüfungen im Rahmen der Inspektion oftmals nicht erkannt werden.

In den letzten Jahren haben aktive und passive Ultraschall-Prüftechniken für die Überwachung großflächiger dünnwandiger Strukturen an Bedeutung gewonnen. Diese Verfahren beruhen auf der Ausbreitung von geführten akustischen Wellen in Plattenstrukturen. Aktive Prüftechniken, bei denen eine Struktur mit mehreren Ultraschallwandlern im Sinne eines Structural Health Monitoring (SHM) überwacht wird, zeigen dabei das größte Potenzial, da sie die Strukturüberwachung »on demand« ermöglichen.

Abb. 1: Laservibrometrie-Daten der Wechselwirkung einer Lamb-Welle mit Impaktschaden.

Aufgabe

Das Ziel besteht in einer zuverlässigen bildgebenden Prüfmethode auf Impaktschädigungen von CFK-Strukturen mittels dauerhaft applizierter Sensorsysteme. Zur Detektion von Delaminationen, wie sie durch Stoßbelastungen hervorgerufen werden können, kommen die am IZFP entwickelten Sensorsysteme zum Einsatz.

Abb. 2: Prototypisches Sensor-Mikrosystem zur Wellenmodeselektivität.

Durchführung

Für die Wahl geeigneter Ultraschallwandler zur Überwachung von dünnwandigen Strukturen mit geführten Wellen (Lamb-Wellen) hat die Kenntnis der Schadenswechselwirkung verschiedener Wellenmoden mit möglichen Strukturschäden große Bedeutung. Innerhalb von CFK-Laminaten ist für die spätere bildgebende Verarbeitung der Messdaten darüber hinaus die Kenntnis der richtungsabhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit der einzelnen Wellenmoden erheblich. Aus diesem Grund wurden im Vorfeld mit Hilfe der Materialdaten Simulationen zur Wellenausbreitung und zur Schadenswechselwirkung durchgeführt. Um die Auswirkung von Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchte auf die Wellenausbreitung später kompensieren zu können, wurden Messdaten der ungeschädigten Struktur, so genannte »Baselines«, aufgenommen. Diese Messdaten dienen später als Vergleich und ermöglichen die Feststellung von Strukturschäden. Nach Eintrag der Impakt-Schädigungen können alternative Charakterisierungstechniken wie Laservibrometrie zum Einsatz kommen (Abbildung 1), um die Ergebnisse des SHM-Systems zu verifizieren.

Abb. 3: Schadenslokalisierung mittels Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT).

Ergebnisse

Die bildgebende Messdatenauswertung setzt die Kenntnis der Geschwindigkeit des einlaufenden Wellenmodes voraus. Innerhalb des Projektes wurden Sensorsysteme entwickelt, die diese Identifizierung des Wellenmodes ermöglichen (Abbildung 2).

Ausgehend davon kann die zu überwachende Struktur diskretisiert und für jeden Wellenmode die Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) angewandt werden. Abhängig von der Anzahl der auf der Struktur applizierten Ultraschallwandler sind verschiedene Sende-Empfangsmessungen aller möglichen Wandlerpaare durchzuführen und die Signalamplituden für jeden diskreten Punkt der Struktur auszuwerten. Der Vorteil dieser Technik besteht darin, dass die Bildgebung im Postprocessing stattfinden kann und nicht per Hardware auf jeden Punkt innerhalb der Struktur fokussiert werden muss. Das Ergebnis ist ein Mapping mit Amplitudenüberhöhungen an Orten mit Strukturfehlern (Abbildung 3).

Auftraggeber

Die Arbeiten wurden im Rahmen des Verbundvorhabens »Entwicklung von ultraschallwandelnden SHM-Mikrosystemen für Faserverbundmaterialien mit Applikationen im Bereich Luftfahrt« (SHM-MiFaLu) zur mikrosystemtechnisch basierten Integration von Ultraschall-Wandlern und verarbeitender Elektronik im Applikationsbereich Structural Health Monitoring (SHM) in der Luftfahrt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Industriepartner

• Airbus
• EADS Innovation Works
• IMA GmbH Dresden
• IWM Halle