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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Defekt selektierende zfP-Methodenan Faserverbundbauteilen
Rodolfo M. Aoki
DLR Institut für Bauweisen und Konstruktionsforschung
Pfaffenwaldring 38-40, 70569 Stuttgart, Germany
VDI-Expertenforum: Moderne Schadensanalyse mit Neutronenstrahlen
VDI-Gesellschaft Werkstofftechnik und Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRMII)
München 10. April 2008
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 2
ÜÜbersichtbersicht
1. Einleitung
2. Defekte an FaserverbundbauteilenÜbersicht verschiedener Fehler bei CFK (CarbonfaserverstärkteKunststoffe) und CMC (Keramik Matrix Composites)Angewandte zfP Methoden
3. Fertigungsfehler und Schädigungsentwicklung unterstatischer und dynamischer Belastung an FaserverbundbauteilenBeispiele
4. Zusammenfassung
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 3
Hintergrund
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Folie 4
Relevanz von zfP für Faserverbundstrukturen
zfPQualität, Defekte
zfPQualität, Defekte
BelastungThermo-mechanicanisch
BelastungThermo-mechanicanisch
ZuverlässigkeitLebensdauervorhersageZuverlässigkeit
Lebensdauervorhersage
HerstellungProzessverbesserung
HerstellungProzessverbesserung
SimulationFEM, Analyse
SimulationFEM, Analyse
LastkollektivThermo-mechanisch
LastkollektivThermo-mechanisch
KorrelationVersuch Simulation
KorrelationVersuch Simulation
SchädigungResttragfähigkeitSchädigung
Resttragfähigkeit
FVWC/C-SiC
CFKSandwich
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Folie 5
NDI Methods for Different Fiber Reinforced MaterialsDFG Collaborative Research Project SFB 381
X- ray
(Projection, Refraction, CT)Laser-Scanning
Microscopy/PhotoelasticityStrain Measurements
(Photogrammetry, ESPI, Laser Extensometer )
Materials
Glasfiber/Thermoplastic
CFRP Wood Steelfiber/Concrete
C/C-SiC Cellulose-Gipsum
Electromagnetic Methods(Microwaves, eddy current,
Potential Sensor)
Sound waves (AE, Puls-Echo, Air coupled, Lamb-
Waves, non-linear)
Vibrometry (imaging, linear, non-linear, damage-selective)
Thermography (Puls-Phase, light- or ultrasonic excited)N
DI M
etho
ds
GFRP
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Folie 6
Principle and set-up of Optical Lockin Thermography (LT)
Section of CF-PEEK rudder
Increase depth range 2x requires reduction f of 4
• Rapid, cost effective inspections,• increased range of inspectable materials• Larger inspected areas
μ = √ π fα______
μ thermal diffusion length
α thermal diffusivity
f frequency
modulated halogen lamps illuminate the sample
periodically response to this excitation observed with a thermographiccamera
Fourier analysis of signal to get amplitude & phase picture
CEDIP JADE III LWIR Infrarot-CameraFocal Plane Array Detect.320*240 LWIR MCT Spectral Sensitivity: 7.7-9.3µmStirling coolingTherm. sensitivity.: 35mK
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Folie 7
US & LT: Impact geschädigte CFK Platten
[0/45/90]s [0/90]s Gewebe
US-Impuls-echo
LockinThermog.
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 8
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Folie 9
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 10
Mesolocal
Macroglobal
X-ray
US C-scan Lockin Therm.US A-scan
Ceramic Matrix Composites
CFRP
C/C-SiC
C/C
PhotoX-38
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Folie 11
DLR Gas DLR Gas gungun laboratorylaboratory forfor HVI (High Velocity HVI (High Velocity Impact)Impact)--TestsTests
Set-up for impact test on fuselage shell
Lab equipped with 3 gas guns and steeltarget chamber (3m x 2.5m x 2.5 m)
HVI-spectrum: From bird strike and tirefragments to hailstones and FOD (Foreign ObjectDamage) on aircraft and aeroengine structures200 mm calibre, 12 m long: - Projectiles up to 2 kg mass and 250 m/s, - Structure size, up to 2m
60 mm calibre, 5 m long:- Projectiles to 0.2 kg mass and 250 m/s
32/25 mm calibre, 2.5 m long:- Projectiles to 0.05 kg mass and 300 m/sEvaluation of structural damage- HS digital camera, dynamic load and strain
measurements, US-C Scan, lockin thermography, X-ray with computer tomography CT
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 12
Eiskugel Impact
X-rayPhotronFastcamp APXRS228000fps1/28000 sec
Sandwichstruktur:Faltwaben mit CFK Deckschichten
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Folie 13
LockinThermographyfront side0.03 Hz
LockinThermographyrear side0.03 Hz
US C-scan (Air coupled)
X-ray
NDI: NDI: GeschGeschäädigtedigte FaltwabenFaltwaben--SandwichplatteSandwichplatte
Impact damage: 0.03 kg glass ball, 78 m/s
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 14
Impact Geschw.
3 69.1
5 75
6 99.9
7 100
Lockin Thermog. US-Wasser Durchschallung
CfK Stringerversteifte Paneele
vorne
hinten
Fotografie
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 15
VARI (Vacuum Assist. Resin Infusion) Manufacturing Process NC- Laminates
L. Chatzigeorgiou
Phasenbild bei 0,06 Hz
•Reflexionsanordnung
Phasenbild bei 0,06 Hz
•Transmissionsanordnung
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 16
US A-scan Signal an verschiedenen StellenUltrasonic C-scans
low
high
CFK
C/C-SiCsiliziert
C/C-SiCentsiliziert
Herstellung C/C-SiC Platten
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Folie 17
US C-scan
SFB 381 Universität Stuttgart
Einstufige Klebeverbindung : Fatigue Test (R=0.1)
0 4 105 17 106
CFK
C/C-SiC
0 1.5 105 5.7 106
100x
35x
150x
CfK C/C-SiC
CfK
C/C-SiC
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 18
NDI Correlations: non homogeneous C/C-SiC
X-ray Lockin Thermography
Photo
rear
front
Impactspheric10J
e‘=4.49%
e‘=3.55%
e‘=17%
0
100
200
300
0 2 4 6 8
thickness mm
US-
ampl
itude
c33 =40 GPa
c33 =100 GPa
050
100150200250300
0 2 4 6 8
thickness mm
US-
ampl
itude
US A-scan Ultrasound C-scan
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 19
CFRP Non crimp laminate [0/45/90]s CAI(Compression After Impact) tests
LT US C-scan0.00E+00
1.00E+04
2.00E+04
3.00E+04
4.00E+04
-150 -100 -50 0
Stress [MPa]
Sum
mco
unt
Displ. Z (16000 LW)
AE
USC-scan
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 20
Impact Damaged CFRP Sandwich (Fold Core) CT- Views
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 21
Non crimp laminate: Compression fatigue loadingstrain distribution
Non crimp laminateCAI fatigue30J impact60kN
20000 Load Cycles
1000 Load Cycles
40 kN stat.
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 22
US C-scan u. CT Aufn. impactbeschädigter Paneele
1 2 3 5
CT Aufnahmen nach Bruch 6900 Zyklen
N = 0 N = 6000 cycles N = 6889 cycles
1 2 3 5
CT
X-Y Ebene
Y-Z Ebene
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Folie 23
Al
CFK
US Impuls-Echo2.25 MHz; 75 dB
Al
CFK
US DurchschallungUS Durchschallung2.25 MHz; 31 dB
Umfang
X: Umfang der Welle
US-CfK WelleUS Impuls-Echo
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Folie 24
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Dl25
l180ml150mm
l120mml90mm
l70mml50mm
Dicke [mm]
US A-scanüber die Dickebei 270°
US
Am
plitu
de
Dicke
CFK
Al
0°
90°
180°
270°
Axialer Abstand5 mm 250 mm
US-CfK Welle
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Folie 25
CT-CfK Welle
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Folie 26
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 27
GFRP Tubes – Fatigue Shear Loading
LW: 38.787
20.7
23.4
°C44
18
26.1
28.8
31.5
34.2
37.0
39.7
1
1000
2000
2500
+160Nm
0.20°
0.30°cycles
Opt. Strain measurements
• 3D deformation measurementof an object surface
• Optical field method comb. w. • Object grating• Remote sensing
Lockin Thermography
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Folie 28
http://compositesdesign.stanford.edu
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 29
ZusammenfassungZusammenfassung
US, Thermografie, Röntgen und Computer Tomografie sind Defektselektierende, notwendige zerstörungsfreie Verfahren zur Ermittlung von Schädigungszuständen an Faserverbundwerkstoffen in situ, beim Service, sowie bei Komponenten oder Strukturelementen.
Synergieeffekte werden durch Kombination verschiedener NDT Methoden erzielt. CT Untersuchungen ermöglichen 3-D detaillierte Strukturinformationen.
Zum besseren Verständnis von Schädigungsmechanismen bei Faserverbundstrukturen sind Simulationsmodelle, die die Anisotropie der Werkstoffe berücksichtigen, erforderlich.
Neutronenstrahlbasierte Prüfverfahren werden die Einsatzbandbreite derzfP wesentlich erweitern.
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Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Vielen Dank
für Ihre Aufmerksamkeit
Defekt selektierende zfP-Methoden �an Faserverbundbauteilen �Rodolfo M. Aoki� DLR Institut für Bauweisen und KonsÜbersichtRelevanz von zfP für Faserverbundstrukturen�Principle and set-up of Optical Lockin Thermography (LT)GFRP Tubes – Fatigue Shear Loading�ZusammenfassungVielen Dank�für Ihre Aufmerksamkeit