Katastrophen verhindern

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Lock-In-Thermografie für Faserverbundbauteile

Das Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen erforscht am Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement von Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt die Eignung verschiedener Sensortechnologien zur Untersuchung von Faserverbundkunststoffen. Neben kamerabasierten Sensorsystemen (Fiber-Measurement-System) und ultraschallbasierten Verfahren zählt die Lock-In-Thermografie zu den vielversprechendsten Sensortechnologien für eine automatisierte Qualitätssicherung von Faserverbundbauteilen.
Faserverbundkunststoffe (FVK) werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit bei geringem Gewicht bevorzugt in der Luftfahrtindustrie und beim Bau von Rotorblättern von Windkraftanlagen eingesetzt. Mittlerweile steigt aber auch im Automobilbereich die Nachfrage nach Bauteilen aus FVK, wie z.B. ihr Einsatz in den BMW-Modellen i3 und i8 bestätigt. Die Gründe dafür liegen in ihren hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht. Zusätzlich sind FVK sehr alterungs- und korrosionsbeständig und verfügen gegenüber konventionellen Werkstoffen wie Metall und Aluminium über einen erhöhten Grad an Gestaltungsfreiheit.

Untersuchungsverfahren für Automobilwerkstätten

Mit der steigenden Verbreitung von FVK gewinnen auch Qualitätssicherungsverfahren an Bedeutung, die diesen neuen Werkstoff überprüfen können. Zu den wichtigsten Inspektionsverfahren gehören die Lock-In-Thermografie, Ultraschalluntersuchungen, kamerabasierte Systeme und Wirbelstromverfahren. In der Abteilung Fertigungsmesstechnik des WZL in Aachen werden u.a. die Möglichkeiten, diese verschiedenen Inspektionsverfahren zu automatisieren und in den Fertigungsprozess zu integrieren, erforscht. Für eine wirtschaftliche Inspektion muss dabei eine möglichst hohe Fehlerdetektionsgeschwindigkeit mit geringst möglichem Aufwand gewährleistet werden, welche nicht nur unter Laborbedingungen robust einzusetzen sind. Noch wichtiger als die Effizienz ist aber die Zuverlässigkeit der Untersuchungsprozesse. „Defekte in Faserverbundkunststoffen sind visuell oft nur schwer erkennbar“, so Sarah Ekanayake, die das Thema am Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement am WZL erforscht. „Wenn sie unbemerkt bleiben, können sich solche Fehlstellen ausbreiten und zum katastrophalen Versagen des Bauteils führen. Da Automobilhersteller mittlerweile nicht mehr nur Verkleidungen, sondern auch Strukturbauteile aus CFK bauen, können die Folgen eines strukturellen Versagens schwerwiegend sein. Wir müssen also Prozesse definieren, bei denen solche Fehler eindeutig erkannt werden.“ Typische Fertigungsfehler von FVK-Bauteilen sind…

  • • Unerwünschte Welligkeit: Fasern können während des Imprägnierprozesses wellig werden, was z.B. auf Probleme im Fertigungsprozess hinweisen kann.
  • • Harzanhäufung: Es liegt eine Anhäufung des Harzes ohne Fasern vor. Dadurch kann dieser Bereich nicht die erforderlichen mechanischen Lasten aufnehmen. (Bild 2)
  • • Trockenstellen: Die Fasern wurden während des Fertigungsprozess nicht ausreichend mit Harz durchtränkt. Die Fasern sind daher ungeschützt vor Umwelteinflüssen.

Qualitätskontrolle innenliegender Merkmale

Bei der Untersuchung der Bauteile aus Faserverbundkunststoffen wird neben anderen Inspektionsverfahren auch die optische Lock-In-Thermografie verwendet. Darunter ist eine aktive Wärmeflussanalyse zu verstehen, bei der das Bauteil durch Halogenstrahler angeregt wird (Bild 3). Da eine defekte Stelle im Bauteilinneren die thermische Welle anders reflektiert als die unbeschädigte Umgebung, können so eventuelle Fehlstellen erkannt und dargestellt werden. Durch die berührungslose Infrarot-Anregung und die hochauflösende Infrarot-Sensorik lassen sich große Flächen in einem einzigen Prozessschritt prüfen. Dabei erlauben unterschiedliche Anregungsfrequenzen den Blick auf die inneren Schichten von FVK-Bauteilen. Innenliegende Fehlstellen wie z.B. Falten, Fremdkörper oder Delaminationen werden sichtbar. Die Eindringtiefe des Wärmeflusses – und somit die Blicktiefe – ist dabei über die Frequenz steuerbar. Die dabei verwendete gekühlte Wärmebildkamera SC5650 mit Indium-Antimonid-Detektor (InSB) hat einen Messbereich von -20 bis zu +3.000°C (je nach Konfiguration). Ihre Auflösung beträgt 640×512 Pixel mit Bildwiederholraten von bis zu 100Hz im Vollbildmodus und bis zu 3.400Hz im kleinsten Teilbildmodus. Ihre kleinste einstellbare Integrationszeit von 1µs erlaubt auch die Abbildung von sehr schnellen bewegten oder dynamischen Prozessen bei hoher Bildqualität. Für Aufnahmen im Makrobereich sind verschiedene Mikroskop-Optikvorsätze erhältlich.

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www.flir.com www.wzl.rwth-aachen.de

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