Berührungslose Ultraschallprüftechnik für Composites (BUC)

Problemstellung
In den nächsten Jahren wird der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen, so genannten Composites, weltweit stark ansteigen. Die daraus gefertigten Bauteile zeichnen sich durch hohe Festigkeit bei geringem Gewicht aus und finden Anwendung in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie. Zur Qualitätskontrolle nach der Fertigung und im späteren Betrieb ist eine zerstörungsfreie Bauteilprüfung zur Anzeige innenliegender, von außen nicht sichtbarer Fehlstellen unverzichtbar. Als Prüfverfahren wird die Ultraschalltechnik mit einem Koppelmittel, wie z. B. Wasser, eingesetzt (vgl. mit einem Gel in der Medizin). Das Wasser birgt Nachteile, wie Korrosion der Prüfmechanik oder Schäden durch Eindringen in das Bauteil. Die berührungslose Prüfung ohne Wasser erfordert bisher eine beidseitige Zugänglichkeit des Bauteils. Dadurch können Bauteile im eingebauten Zustand nicht geprüft werden, und die Prüfmechanik für komplex gekrümmte Bauteile ist sehr aufwendig.

Projektziel
Im Projekt BUC wurde ein Demonstrator zur berührungslosen, schnellen und zerstörungsfreien Ultraschallprüfung mit einseitiger Zugänglichkeit konzepiert und aufgebaut. Ferner vermeidet diese Art der Prüfung das Wasser zur Schallübertragung und die damit verbundenen Nachteile wie Korrosion der Prüfmechanik, Algenwuchs, Luftblasen und Kalkablagerungen.
Die neu entwickelte Array-Technik mit Luftankopplung reduziert die Prüfzeit für ein Bauteil mit einer Fläche von 1 m2 von 28 Minuten auf 4 Minuten. Hierfür wurden jeweils Arrays mit unterschiedlichen Frequenzen mit jeweils 8 Elementen und die dafür erforderliche Hardware für eine parallele Datenaufnahme entwickelt und aufgebaut. Die vorhandene Software wurde für die Array-Technik bezüglich der Kombination zwischen elektronischem und mechanischem Scannen erweitert. Mit einer speziell aufgebauten V-Anordnung zweier Arrays ist auch eine Prüfung mit nur einseitiger Zugänglichkeit möglich.

Vorgehensweise
Um eine berührungslose Prüfung mit einseitiger Zugänglichkeit technisch realisieren zu können, kommen sogenannte Plattenwellen zum Einsatz. Diese breiten sich großflächig aus und müssen deshalb nur punktuell angeregt werden. Dafür wird eine spezielle Mess- und Prüfeinrichtung entwickelt. Besondere Bedeutung kommt der Auswahl und Anregung der optimalen Plattenwellen, der Weiterentwicklung von Ultraschallsensoren und der analogen und digitalen Signalverarbeitung und deren visuelle Aufbereitung zu. Die erzielten Ergebnisse sollen im Anschluss in einen Demonstrator zur erstmaligen Anwendung in Luft- und Raumfahrt umgesetzt werden. Mit dem neu zu entwickelnden Verfahren kann die sonst bei komplex geformten Bauteilen sehr aufwändige Prüfmechanik mit 10 Achsen auf fünf reduziert werden, wodurch eine Kostenreduktion von 40% erwarten ist.

Anwendungspotenzial und erwartete Ergebnisse
Der Antragsteller steht in engen Kontakt mit Anwendern wie z. B. Eurocopter in Ottobrunn und Donauwörth und Airbus in Bremen und Stade. Damit wird sichergestellt, dass das neue Verfahren auch die Ansprüche der Prüfung von Bauteilen in Faserverbundtechnik erfüllt und auch der Einsatz auf weitere Gebiete wie z. B. im Automobilbau ausgedehnt werden kann.

• Ingenieurbüro Dr. Hillger