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Stichworte / Keywords

Faserverbundkunststoffe, FVK, CFK, GFK, Ultraschall, Wirbel-

strom, Computerlaminographie, Shearographie, Prüfrobotik

Fiber reinforced plastics, FRP, CFRP, GFRP, ultrasonic, eddy cur-

rent, computer laminography, shearography, robotics systems

Ausgangssituation

Forciert durch die Notwendigkeit zur Reduzierung der

Fahrzeuggewichte gewinnt der Einsatz von Faserverbund-

kunststoffen (FVK) im Automobil in jüngster Zeit enorm an

Bedeutung. Durch den zunehmenden Einsatz von carbon- und

glasfaserverstärkten Materialien für sicherheitskritische Bau-

teile im Karosserie- und Fahrwerksbereich ist eine umfassende

Qualitätssicherung mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren

unabdingbar. Die bei der Prüfung von Luftfahrtkomponenten

bereits seit Jahren eingesetzten Prüfverfahren und -systeme

stellen eine gute Basis dar, müssen jedoch aufgrund der im

Automobilbereich wesentlich unterschiedlichen Anforderun-

gen bezüglich geometrischer Bauteilkomplexität, Taktzeiten

und akzeptablen Prüfkosten weiterentwickelt werden.

Aufgabe

Die Palette an Aufgabenstellungen erstreckt sich über den

ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG VON FASERVER-BUNDKUNSTSTOFFEN IM AUTOMOBIL

NONDESTRUCTIVE TESTING OF FIBRE REINFORCED POLYMERS IN AUTOMOTIVE APPLICATIONS

kompletten Produktlebenszyklus. In den frühen Phasen

des Produktentstehungsprozesses, d. h. im Rahmen der

Material- und Bauteilentwicklung, werden flexibel einsetzbare

zerstörungsfreie Prüflösungen benötigt. Neben der Fehlerde-

tektion kommt der Charakterisierung der Faser-Matrix-Systeme

besondere Bedeutung zu.

Während des Produktionsprozesses müssen einerseits die

Bauteilprüfung in den Prozess integriert und dabei die in der

Automobilproduktion geforderten Taktzeiten erreicht werden;

andererseits muss die Prüfung in hohem Maße automatisiert

ablaufen, um den Einfluss des Prüfers auf ein Minimum zu

reduzieren.

Eine weitere, ganz wesentliche Aufgabe ist die Entwicklung

von neuen Lösungen für die zerstörungsfreie Prüfung und

Beurteilung im Schadens- und Reparaturfall. Viele in der Praxis

für Metalle über Jahrzehnte etablierte Methoden lassen sich

nicht optimal auf die neuartigen Bedingungen von Faserver-

bundkunststoffen einstellen.

Durchführung

Ein im Bereich der Luftfahrt gängiges Prüfverfahren ist die

Ultraschall-Prüfung. Die am Fraunhofer IZFP entwickelte Me-

thode des Sampling Phased Array ermöglicht eine gegenüber

konventionellen Ultraschall-Systemen wesentlich verbesserte

1 Computertomographie-Aufnahme eines vierstufigen Keils /

Computed tomography image of a four-step wedge

2 Lock-in-Thermographie desselben Keils mit Testfehlern /

Lock-in thermography of the same wedge with reference flaws

53www.izfp.fraunhofer.de | Jahresbericht 2011

Fehlerdetektion, was durch die Berücksichtigung der bei

faserverstärkten Kunststoffen sehr ausgeprägten Anisotropie

für die Generierung der Prüfergebnisse erreicht wird. Die

Weiterentwicklung von Hard- und Software der Prüfsysteme

ermöglicht die Umsetzung der Prüfergebnisse in dreidimen-

sionale tomographische Darstellungen bei gleichzeitig hohen

Verarbeitungsgeschwindigkeiten.

Das Mehrfrequenz-Wirbelstrom-Verfahren eignet sich neben

der Prüfung von Kohlefaserverbunden auch für die tiefenauf-

gelöste Prüfung von textilen Gelegen vor der Harzeinbringung.

Es ermöglicht die hochaufgelöste Prüfung und Charakterisie-

rung von CFK-Werkstoffen auf typische Qualitätsmerkmale

wie Faser-Fehlanordnungen, fehlende Rovings, Lücken,

Einschlüsse, Ondulationen, Delaminationen. Der Einsatz

mehrerer Messfrequenzen und die Anwendung komplexer

Filteralgorithmen erlaubt bei der Ergebnisauswertung die

tiefenaufgelöste Trennung einzelner Lagen (siehe auch den

Beitrag über abbildende Wirbelstromverfahren von Henning

Heuer, Seite 39ff.).

Die aktive Thermographie kann insbesonders zur Prüfung von

FVK-Bauteilen auf oberflächliche und oberflächen nahe Fehler

ertüchtigt werden. Das Verfahren ermöglicht die großflächige,

schnelle Prüfung auch komplexer Geometrien.

Computertomographische Verfahren eignen sich bei

FVK-Werkstoffen sowohl zur Einzelprüfung wie auch als

Referenzverfahren. Durch die in der Automobilproduktion

üblichen Taktzeiten ist der Einsatz zur Serienprüfung auf sehr

kleine Bauteile begrenzt. Die Prüfzeiten konnten durch die

Entwicklung der Computerlaminographie am Fraunhofer

IZFP erheblich verkürzt werden. Das Verfahren eignet sich

besonders für flache Bauteile.

Neben den genannten sind die Verfahren Hochfrequenz-

Ultraschall, nichtlinearer Ultraschall, luftgekoppelter Ultraschall

und Shearographie Inhalt verschiedener Forschungsprojekte

des Fraunhofer IZFP zwecks Charakterisierung und Prüfung

von Faserverbundwerkstoffen.

Um Möglichkeiten und Grenzen der unterschiedlichen

zerstörungsfreien Prüfverfahren für Faserverbundkunststoffe

zu bewerten, wurden am Fraunhofer IZFP umfangreiche,

vergleichende Untersuchungen durchgeführt, auf deren Er-

kenntnissen die gezielte Verfahrensauswahl und -kombination

entsprechend der gegebenen Prüfaufgabe aufbaut.

Mit dem Fokus der robotergeführten Prüfung komplexer CFK-

Bauteile wird aktuell ein Prüfdemonstrator am Fraunhofer-

Innovationscluster »Automotive Quality Saar« aufgebaut. Hier

werden auch die am Fraunhofer IZFP (weiter)entwickelten

Verfahren validiert und im Rahmen der Laborakkreditierung

(DIN EN ISO / IEC 17025) entsprechend der Anforderungen

und Standards der Automobilindustrie qualifiziert.

Industriepartner

Verschiedene aus den Bereichen Automobil und Luft-/

Raumfahrt

Ansprechpartner / Contact

Dipl.-Ing. Jens-Holger Fery

+49 681 9302 3670

jens-holger.fery@izfp.fraunhofer.de

4 Optimiertes Hochfrequenz-Wirbelstrombild durch Überlagerung mehrerer

Frequenzen / Optimized high-frequency eddy current image by superposi-

tion of several frequencies

3 Sampling Phased Array-Rekonstruktion einer flachen Platte mit

Prüffehlern / Sampling phased array reconstruction of a flat plate

with reference flaws