Werkstattgerechte Schadensanalyse in CFK-Strukturbauteilen mit optisch georteter Ultraschallmesstechnik

• Shopfloor suitable damage analysis in CFRP parts with optically tracked ultrasonic measurement technique

Nienheysen, Philipp Thomas; Schmitt, Robert H. (Thesis advisor); Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus der Produktionstechnik 44/2022
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Der globale Umsatz carbonfaserverstärkter Kunststoffe (CFK) verzeichnet weiterhin ein jährliches Wachstum im zweistelligen Prozentbereich. Größter Treiber dieses Wachstums ist neben der Luft- und Raumfahrtindustrie die Automobilindustrie. CFK zählen zu den Verbundwerkstoffen, stellen aber Konstruktionen dar, aus hochfesten, in eine Polymermatrix eingebetteten Fasern. Werden CFK im Automobilbau derzeit nicht mehr großflächig eingesetzt, so werden sie jedoch vermehrt dort eingesetzt, wo sie besondere Vorteile hinsichtlich Gewichtsersparnis, Steifigkeit und Festigkeit bieten. Die Sicherstellung der Festigkeit ist dabei eine der zentralen Herausforderungen. CFK zeigen Schadensbilder, die optisch meist kaum zu erfassen und bei konventionellen Werkstoffen unbekannt sind. Fehlend sind Messkonzepte zur Detektion, Lokalisierung und Quantifizierung von Schäden, die die für die CFK-Reparatur notwendigen Messdaten mit einer hinreichenden Unsicherheit bereitstellen können. Dieses Forschungsvorhaben adressiert die genannten Defizite mittels der Konzeptionierung und experimentellen Validierung eines optisch georteten Ultraschallmesssystems. Gemäß der Forschungsmethodik des Design Science Research werden die Forschungsergebnisse iterativ generiert und mit Hilfe verschiedener Versuchsaufbauten experimentell validiert. Der Design-Prozess ist dabei stets gekoppelt mit dem Anwendungsbereich der werkstattgerechten CFK-Reparatur und der vorhandenen Wissensbasis der Messtechnik. Die Konzeptionierung des optisch georteten Messsystems, bestehend aus einem Phased-Array-Ultraschallmesssystem und einem kamerabasierten Ortungssystem, erfolgt durch eine neuartige Kombination und Echtzeit-Synchronisierung der einzelnen Messsysteme. Hierzu wird eine Messsoftware zur Aufnahme, Visualisierung und Auswertung der Messdaten entwickelt. Die Auswertemethodik basiert auf einer Modellierung der Schallintensitätsverteilung, neuartigen Verfahren der Peak-Detektion sowie der 3D-Rekonstruktion der Ultraschallmessdaten. Die Validierung erfolgt mit Hilfe kalibrierter Versuchsbauteile. Gefolgt von einer Analyse der Einflussfaktoren auf den Messprozess und die betrachteten Messgrößen erfolgt die Messunsicherheitsanalyse in drei Schritten mit jeweils spezifisch konzeptionierten Versuchsaufbauten. Die Messunsicherheitsanalyse des optischen Ortungssystems erfolgt anhand von Referenz-Streckenmessungen eines Koordinatenmessgeräts und durch eine Variation der Grenzen des Parameterraums. Anschließend werden die Einflüsse des Phased-Array-Ultraschallmesssystem mittels eines Versuchsaufbaus bestehend aus einer Linearachsverfahreinheit und Messreihen in Tauchtechnik analysiert und auf Basis der errechneten Messunsicherheitsbeiträge iterativ optimiert. Zur Betrachtung des Gesamtsystems sowie zur Optimierung der softwareseitigen Einstellparameter werden Ultraschallmessung und optische Ortung im Verbund erprobt. Im letzten Schritt wird gezeigt, dass sich für den Praxiseinsatz die Messunsicherheit durch Zuhilfenahme von optisch erfassten Oberflächenmessdaten hinreichend reduzieren lässt. Der Erkenntnisgewinn beruht auf neuartigen Algorithmen zur modellbasierten Auswertung der 3D-rekonstruierten Ultraschallmessdaten sowie der erstmalig realisierten umfassenden Quantifizierung der hardware-, software- und prozessbezogenen Einflussfaktoren auf die Messunsicherheit eines optisch georteten Ultraschallmesssystems. Zudem wurde eine Methode entwickelt, die Messunsicherheit durch eine Kombination von Ultraschall- undoptisch erfassten Oberflächenmessdaten für den Praxiseinsatz zu reduzieren.