Mit qualifizierten Prüfprozesse zum Serieneinsatz von Faserverbundwerkstoffen

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Bevor Hubschrauber oder Flugzeuge abheben dürfen, müssen sie zahlreiche Tests bestehen. Das gilt im Besonderen auch für die hochbelasteten Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen, die hier Verwendung finden. Deshalb werden an die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung – kurz ZfP – der Komponenten aus GFK oder CFK hohe Anforderungen gestellt. Prüfmethoden, wie Ultraschall, Thermographie, Shearographie, Röntgen oder Computertomografie werden besonders stark gefordert. Das gilt sowohl in der Entwicklung, Fertigungsoptimierung und Qualitätssicherung von Composites als auch bei Reparaturen von Faserverbundstrukturen. Die einzelnen Prüfmethoden wird es auch auf der COMPOSITES EUROPE zu sehen geben, die vom 6. bis 8. November in Stuttgart stattfindet.

Nicht nur die Luftfahrt, auch alle anderen Branchen, in denen GFK und CFK zum Einsatz kommen, benötigen zuverlässige Materialtests für die speziellen Werkstoffe. Besonders die Automobilindustrie muss Prüfprozesse qualifizieren, mit Hilfe derer eine vollständige Materialcharakterisierung und Fehlersuche zerstörungsfrei und mit vertretbarem Aufwand erfolgen kann.

Lock-in-Thermographie erkennt verborgene Defekte

In Deutschland arbeiten zahlreiche wissenschaftliche Institute und Forschungseinrichtungen an der Entwicklung geeigneter Methoden. So hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in der Abteilung „Bild- und Signalverarbeitung“ ein Thermographie-System zur Inspektion von CFK und GFK entwickelt, das modular aufgebaut ist. Verschiedene IR-Kameras und Anregungseinheiten können, abhängig von der Teilegeometrie der zu untersuchenden Objekte, angebaut werden. Die Prüfung basiert auf dem Prinzip der Lock-in-Thermographie. Verborgene Strukturen oder Defekte verändern den zeitlichen Temperaturfeldverlauf und werden dadurch mit Phasenbildern der Lock-in Thermographie empfindlich erkannt.

Die Ergebnisse der Thermographie-Auswertungen werden mit verschiedenen eigenen Bildverarbeitungsalgorithmen analysiert, um eine automatische i.O./n.i.O.-Information zu erhalten. Dazu werden die Fehlerbereiche im Ergebnisbild farbig markiert dargestellt. Das am IPA entwickelte System eignet sich für eine schnelle Prüfung und liefert ausreichende qualitative Aussagen mit der Möglichkeit zur ROI-Bestimmung für weiterführende sensorische Auswertungen (z. B. CT). Dadurch wird eine deutliche Aufwands- und Kostenreduktion beim Qualitätssicherungsprozess erreicht.

Hundertprozentprüfung innerhalb von 60 Sekunden

Mit der Analysemethode lassen sich bei realen Bauteilen fehlende Schichten, Einschlüsse, Verklebungen sowie Materiallegefehler feststellen. Auch Impactschäden wie äußere sowie innere Rissausbreitung bzw. Delaminationen oder Schäden bei Lochungen werden erkannt, ebenso wie Faserverschiebungen, Faden-Nahtverschiebungen oder fehlende Nähte sowie Poren oder Lunker. Auch Lageverschiebung und Wellenbildung im Inneren (Ondulation) oder fehlendes Harz bzw. keine Aushärtung (Trockenstellen) sind detektierbar.

In Zusammenarbeit zwischen der Hochschule Magdeburg-Stendal (FH), der FI Test- und Messtechnik GmbH sowie der IFC Composite GmbH ist ein System zur mikrowellenbasierten Prüfung von GFK-Blattfedern entstanden. Diese Bauteile kommen beispielsweise beim Mercedes Sprinter und beim VW Crafter zum Einsatz. Ziel der Entwicklung war es, eine Hundertprozentprüfung in der Produktionslinie bei Bauteilabmessungen von ca. 1400 mm x 70 mm x 30 mm innerhalb von ca. 60 s sowie Datennachbearbeitung, Bewertung durch den Bediener und Archivierung der Daten zu gewährleisten. Dabei kommt ein 24-GHz-Prüfsystem zum Einsatz.

Entwicklungsbedarf zusätzlicher Testmethoden für Composites

Die Blattfedern werden von einem Sendearray mit sehr geringen, ungefährlichen Leistungen durchstrahlt. Das Transmissionssignal wird auf der Rückseite der Blattfeder von einem Empfangsarray aufgenommen und anschließend weiterverarbeitet. Um die gesamte Komponente zu untersuchen, werden in Querrichtung 30 einzelne Kanäle mit Sende-/Empfangsantennenpaaren elektronisch sequentiell aktiviert, in Längsrichtung werden die starr miteinander verbundenen Sende-/Empfangsarrays über die Blattfeder bewegt. Im Anschluss an die Scanfahrt erfolgen die Signalverarbeitung und flächenhafte Darstellung des Scans für die Bewertung durch den Bediener. Über die Untersuchung von Blattfedern hinaus sehen die Entwickler für die Mikrowellenprüfung Einsatzmöglichkeiten bei Rotorblättern von Windkraftanlagen oder Verklebungen von GFK-Rohren.

Die Anwendungen zeigen, dass die Composites-Industrie neben dem Prüfspektrum, das aus der Kunststoffverarbeitung zur Verfügung steht, zusätzliche eigene Testmethoden entwickeln muss. Ein Beispiel hierfür ist das nach DAkkS akkreditierte Prüflabor des Süddeutschen Kunststoff-Zentrums (SKZ), wo neben thermoplastischen auch faserverstärkte Kunststoffe geprüft werden. Dazu zählen Methoden wie Barcol-Härteprüfung, Biege- und Zugprüfungen an Laminaten sowie die Bestimmung des Textilglas- und Mineralstoffgehaltes.

Auch am Lehrstuhl für Carbon Composites der Technischen Universität München wird ein breites Spektrum modernster Prüfmethoden und Versuchsanlagen eingesetzt, um experimentelle Methoden für die Untersuchung des Materialverhaltens von Faserkunststoffverbunden zu entwickeln. Dazu zählen Thermoanalytik und Rheologie zur Bestimmung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Matrixsystemen und FKV, Untersuchungen zur Drapierfähigkeit und Permeabilität von unidirektionalen und textilen Faserhalbzeugen sowie die statische und hochdynamische (Impact, Crash) Bestimmung des Werkstoffverhaltens auf Komponenten-, Einzelschicht- und Laminatebene.