Neuartige Methoden zur zerstörungsfreien Prüfung von
Faserverbundwerkstoffen
G. Hendorfer u. D. Salaberger
FH OÖ Forschungs & Entwicklungs GmbH, Stelzhamerstraße 23, 4600 Wels, AUSTRIA
Kooperationsforum ‚Faserverstärkte Kunststoffe‘
28.11.2012
slide 2
Active Thermography
3D Computer Tomography
Shearography
Modal Analysis
F&E an der FH WELSZerstörungsfreie Prüfmethoden
slide 3
Delamination
80 mm
Active Thermography Computed Tomography Digital Shearography
AA
Section A-AComponents:WPC – wood plastic composite
Applications:automobile industryfurniture industry
F&E an der FH WELSZerstörungsfreie Prüfmethoden
slide 4
ZfP von VerbundwerkstoffenEinsatz in der Luftfahrtindustrie
BOEING 787 - DreamlinerQuelle: Boeing Company
50% Verbundwerkstoffe!
slide 5
ZfP von VerbundwerkstoffenTypische Fehler
slide 6
ZfP von VerbundwerkstoffenOptisch angeregte Pulsthermographie
slide 7
Porosität in CFKQualitativer Vergleich mit Ultraschall
c
k
⋅=ρ
α
Temperaturleitfähigkeit
k … Wärmeleitfähigkeit
ρ … Dichte
c … Wärmekapazität
[dB / mm]
[m2 / s]
CFRP
specimen
IR
cameraFlash
lamps
slide 8
Porosität in CFKPrüfung der Landeklappen (Nose Cap)
slide 9
MikrostrukturPore morphology derived by CT - measurements
CT – cross section plot:
SIDE VIEW
CT – cross section plot:
TOP VIEW
slide 10
WärmeleitungsmodelleEntthermalisierung
M
MP
MPMeff
k
kkf
kkkk
−⋅+
−⋅Φ+=1
.
( )( )
−
−−
−=
m
m
m
m
m
mf
2/12
2/32
2
2
2 1asin
11
3D – Depolarization factor [5]:
Effective thermal conductivity:
Shape factor: m = a / b
[5] H.I. Ringermacher et al., In: QNDE 21, pp. 528-535 (2002).
Volumetric heat capacity :
( ) ( ) ( ) ( )MPeff ccc ρρρ ⋅Φ−+⋅Φ= 1
0 2 4 6 8 10 120
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Shape Factor m
Depola
rization F
acto
r f
slide 11
WärmeleitungsmodelleBerechnung der effektiven Temperaturleitfähigkeit
0 5 100.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
1.05
Porosity Φ / [%]
Therm
al D
iffu
siv
ity α
eff. /
αm
m = 1
m = 3
m = 5
m = 7
.
.
.)( eff
eff
effc
k
ρα =
- Volume weigthed average of two-phases:
( ) ( ) ( ) ( )MPeff ccc ρρρ ⋅Φ−+⋅Φ= 1
- „Dethermalization“ – Theory:
.effk
- Effective thermal diffusivity:
slide 12
CFK mit PorositätVergleich Aktive Thermographie mit Ultraschall
slide 13
Detector:2048 x 2048 Pixel
Resolution: > 5 µm
Tubes:• 225 kV-Microfocus
• 450 kV-Minifocus
Specimens:L < 2 m, d < 600 mmm < 80 kg
X-ray penetration length:Al: < 250 mm, Fe: < 70 mm
RayScan 250E
Tube:180kV nanofocus™
Detector: 2300 x 2300 Pixel detector
Specimens:
L < 150 mm, d < 120 mm, m < 2 kg
Resolution: > 0.4 µm
Nanotom 180 NF
3D- CT devices at FH Wels
slide 14
X
Y
ZAir
lower densityMaterial/ Matrix
higherdensity
Slice image
I(d) = I0e-µd
→→→→ µ ~ ρ*Z³*λ³
3D- CTPrinciple
slide 15
Voxel size (1 µm)3
Phase contrast CT of carbon fibre reinforced polymer
150 µm
Slice image 3D image
slide 16
Schwellwertverfahren für minimalen und
maximalen Porositätswert
Grauwert
Inte
nsität
PorositätsbestimmungSegementierung
slide 17
MikrostrukturPore morphology derived by CT - measurements
0 2 4 6 8 10 120
1
2
3
4
5
6
7
Porosity Φ / [%]
Aspect
Ratio m
Aspect Ratio of Porous CFRP Specimens
mx/y
mx/z
my/z
mean value: m(x,y)/z
slide 18
15mm
1,8
mm
15mm
1,8
mm
16mm
CFRP Porosity
Laminates (L0) 2.7%
Laminates (L1) 1.1%
15mm
1,8
mm
15mm
1,8
mm
16mm
L0
L1
Porosity in UD laminate
slide 19
Artificial delamination
Slice images3D images
2 mm
slide 20
X
Y
90°
Bending test curves0°
0°
with artificial delamination
L0
1.5 mm
Artificial delamination
slide 21
Defektdetektion mit NDT Verfahren
CT-
Schnittbild
Radioskopie
Thermografie
Metallspan Rohacell GummiPrepreg-folie Dichtband
slide 22
20 40 60 80 100 120 140
50
100
150
200
20 40 60 80 100 120 140
50
100
150
200
100 200 300
100
200
300
400
500
600
700
800
GFRP - Glass Fiber
Reinforced Plastic
section A
Diffusivity Image
UNCORRECTED
Diffusivity Image
CORRECTED
3D-Computed
Tomography
IMAGE
Pore
Glass fiber distribution of a car roof
Comparison: Diffusivity Imaging and 3D-Computed Tomography
Sonstige AnwendungenAutodach
slide 23
Zusammenfassung
Röntgen- CT
• 3 dimensional
• Hohe Auflösung
• Stationär
• In-line in Entwicklung
• Bauteile bis 2 m Länge
• Hohe Genauigkeit und
Reproduzierbarkeit
• Formfaktoren
Thermografie
• 2,5 dimensional
• Schnell
• Mobiler Einsatz
• In-line fähig
• Großflächig
• Hohe Empfindlichkeit dT
< 10 mK
• Quantitative Porosität
Berührungslos
Zerstörungsfrei
slide 24
Kooperationspartner
Fördergeber
Projektmitarbeiter
G. Mayr, J. Gruber,
G. Zauner, G. Hendorfer
B. Plank, J. Kastner, D. Salaberger
K-Projekt: Zerstörungsfreie Prüfungund Tomografie ZPT
EraNet: ReCarboFit
Take-Off: QuantTherm
Kooperationspartner, Fördergeber und
Projektmitarbeiter
Forschungsprojekte