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12.12.2019

Inspektion von Verbundwerkstoffen in der Luftfahrt

Zerstörungsfreie Prüfung mit aktiver Thermografie

Die aktive Thermografie ist ein hocheffizientes und leistungsstarkes Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung in der Luftfahrt. Bei der Inspektion von Verbundwerkstoffen spielt sie ihre Vorteile aus. Hier ermöglichen mobile Prüfsysteme eine lückenlose Qualitätssicherung in der Produktion ebenso wie eine schnelle Vor-Ort-Prüfung zu Wartungszwecken.

Produktion eines Passagierflugzeugs. (© iStock.com/xenotar)

Verbundwerkstoffe wie CFK und GFK sind aus der Konstruktion und Produktion von Flugzeugen nicht mehr wegzudenken, ob im zivilen oder militärischen Bereich. Mit ihrer Leichtigkeit und Robustheit tragen diese Materialien wesentlich zu einem sparsamen, sicheren Flugbetrieb bei. Bei zivilen Flugzeugen der neuen Generation wie der Boeing 787 und dem Airbus A350 liegt ihr Verbauungsanteil bereits bei rund 50 Prozent, bei militärischen Flugzeugen sind es 70 Prozent und mehr.

Der Einsatz von Verbundwerkstoffen bringt jedoch auch neue Herausforderungen mit sich, vor allem bei der Inspektion und Wartung. Die typischen Schadensfälle im Normalbetrieb von Flugzeugen wie Vogelschlag, Blitzschlag, Aufprall von Objekten während des Starts oder der Landung oder Kollision mit einem Bodenfahrzeug erfordern eine umgehende Prüfung vor Ort, damit es nicht zu teuren längeren Ausfallzeiten kommt. Diese muss zerstörungsfrei erfolgen und auch die inneren Bauteil-Strukturen einschließen. Die Anforderungen an entsprechende Lösungen sind umfangreich:

  • Vor-Ort-Prüfung ohne aufwändige Aufbauten oder spezielle Einrichtungen,
  • schnelle Prüfung großer Flächen,
  • zuverlässige Erkennung der für Verbundwerkstoffe typischen Defekte,
  • einfache Bedienung,
  • einfache Analyse der Prüfergebnisse - unabhängig von der Erfahrung des Prüfers,
  • einfache Archivierung der Prüfergebnisse zur Rückverfolgbarkeit.

Die klassischen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung von Verbundwerkstoffen wie beispielsweise das Tap-Hammer-Verfahren, die Phased-Array-Ultraschallprüfung und die mechanische Impedanzanalyse können diese Anforderungen kaum erfüllen.

Beim Tap-Hammer-Verfahren kommt es auf das subjektive Hörempfinden des Prüfers an, was für Prüfungen in der Luftfahrt kaum noch akzeptabel sein sollte.

Für die Phased-Array-Ultraschallprüfung und die mechanische Impedanzanalyse sind große Geräte und komplizierte Aufbauten nötig, die ein mobiles Arbeiten erschweren.

Eigentlich für punktuelle Untersuchungen gedacht, verursachen diese Verfahren bei der Inspektion großer Flächen einen enormen Zeitaufwand. Meist liefern sie keine eindeutig interpretierbaren Messergebnisse, so dass es stark auf die Erfahrung des Prüfers ankommt. Und Funktionen zur automatischen Archivierung der Prüfergebnisse sucht der Anwender häufig vergebens.

ZfP mit aktiver Thermografie

Das Messprinzip der aktiven Thermografie (© AT – Automation Technology)

Es gibt jedoch eine Alternative, mit der sich die beschriebenen Herausforderungen bei der Inspektion und Wartung von Flugzeugen meistern lassen: die zerstörungsfreie Prüfung auf Basis der aktiven Thermografie. Bei diesem Verfahren wird das Prüfobjekt thermisch angeregt, beispielsweise mit einer Halogenlampe, einem Laser oder Wirbelstrom. Der Wärmefluss durch das Material spiegelt sich in der Temperaturentwicklung an der Prüfobjekt-Oberfläche wider; ist er durch Defekte gestört, zeigt sich dies auch in ihr. Die Temperaturentwicklung an der Prüfobjekt-Oberfläche wird über einen bestimmten Zeitraum mit einer Infrarotkamera aufgezeichnet. Eine Wärmebildverarbeitungs-Software und spezielle Auswertungsalgorithmen liefern ein Ergebnisbild, anhand dessen sich die internen Strukturen und eventuelle Defekte des Prüfobjekts sehr zuverlässig erkennen lassen.

Die aktive Thermografie ist nicht nur ein zuverlässiges, sondern auch ein sehr variables Verfahren. Sie eignet sich für die Prüfung verschiedener Materialien und zur Erkennung des gesamten Spektrums der für Verbundwerkstoffe typischen Defekte, von Delaminationen über Lunker und Wassereinschlüsse bis zu Rissen. Zudem umfasst sie verschiedene Prüfmethoden und Messtechniken, so dass sich das Messverfahren optimal auf das jeweilige Material und die jeweiligen Bauteil-Strukturen abstimmen lässt. Diese Methoden und Techniken unterscheiden sich vor allem in der Art der verwendeten Anregungsquelle, darin, wie die thermische Energie eingesetzt wird, und in der mathematischen Analyse der Messergebnisse.

Vorteile der aktiven Thermografie

Großflächige thermografische Messung an einem Flugzeugrumpf. (© AT – Automation Technology)

Die aktive Thermografie ist den klassischen Verfahren in vielerlei Hinsicht überlegen. Sie ermöglicht eine zerstörungsfreie und schnelle großflächige Verbundwerkstoff-Inspektion. Moderne Thermografie-Systeme sind einfach zu bedienen und setzen nicht voraus, dass die Messungen von einem Prüfer mit langjähriger Erfahrung durchgeführt werden. Eine Anpassung an die Größe des Prüfobjekts ist ohne Weiteres möglich; eine einzelne Messung kann eine Fläche von bis zu einem Quadratmeter abdecken, aber ebenso gut lassen sich Bauteile prüfen, die nur wenige Millimeter groß sind.

Delamination in einem Bauteil mit Honeycomb-Struktur. (© AT – Automation Technology)

Die Messzeiten sind kurz; eine Messung an einer dünnwandigen Komponente dauert normalerweise nur wenige Sekunden. Die Messergebnisse werden als hochauflösende Bilder dargestellt, die eine einfache Analyse und Archivierung erlauben. Ist eine Expertenanalyse nötig, die vor Ort nicht geleistet werden kann, können die Bilder in elektronischer Form an entsprechende Adressen verschickt werden. Auch eine standardmäßige Remote-Prüfung ist auf dieser Basis möglich.

Lösung für die Luftfahrt

Thermografie-Systeme waren zunächst eher für den Laborgebrauch ausgelegt und galten als zu komplex für den Einsatz in der Industrie. In den vergangenen Jahren wurden jedoch große Anstrengungen unternommen, die aktive Thermografie industrietauglich und möglichst benutzerfreundlich zu machen. Als Voraussetzung für den Einsatz in der Luftfahrt wurde sie inzwischen in internationale Normen für die Qualifikation von ZfP-Personal wie NAS410 und EN4179 eingeführt.

Das mobile Thermografie-Prüfsystem C-CheckIR für die Luftfahrt. (© AT – Automation Technology)

Für den Bedarf der Luftfahrt ist seit einigen Jahren eine maßgeschneiderte Lösung im Einsatz. Die enge Zusammenarbeit von Airbus und AT – Automation Technology brachte ein mobiles Prüfsystem für die Vor-Ort-Inspektion hervor, C-CheckIR. Dieses kompakte System besteht aus zwei Hauptkomponenten, einem Messkopf und einem Tablet-PC. Der Messkopf enthält eine intelligente, hochempfindliche Infrarotkamera sowie eine Halogenlampe mit integrierter Leistungselektronik, die von der Kamera direkt geregelt wird. Er ist auf ein Gestell aus drei Beinen mit vakuumgetriebenen Saugnäpfen montiert. Mit diesen lässt sich C-CheckIR am Prüfobjekt befestigen, so dass eine Messung an horizontalen wie vertikalen Flächen durchgeführt werden kann.

Die Bedienung erfolgt über den Tablet-PC mit Touchscreen und einer intuitiven Benutzeroberfläche. Für übliche Verbundwerkstoffe und Prüfmethoden sind entsprechende Voreinstellungen vorhanden, die sich je nach Bedarf auch individuell anpassen und abspeichern lassen. Eigens geschultes Personal ist für die Nutzung des C-CheckIR prinzipiell nicht erforderlich.

Ein Messvorgang ist nach Angaben von AT innerhalb weniger Sekunden abgeschlossen und deckt eine Fläche von bis zu 430 x 340 mm ab. So lässt sich beispielsweise die Inspektion eines A320-Seitenruders in nur fünf bis sieben Stunden erledigen. Die von der Wärmebildverarbeitungs-Software und den Auswertungsalgorithmen gelieferten Ergebnisbilder weisen einen hohen Detailgrad auf und lassen sich unabhängig von der Erfahrung des Prüfers analysieren. Die automatische Archivierung aller Messdaten und Ergebnisbilder gewährleistet Rückverfolgbarkeit. C-CheckIR entspricht sämtlichen Anforderungen der DIN 54192 für die zerstörungsfreie Prüfung mit aktiver Thermografie und erfüllt diverse Prüfanweisungen von Flugzeugherstellern (beispielsweise Airbus NTM 55-40-50 oder Boeing procedure 737 NDT, part 9, 51-00-04, 53-30-01).

Pascal Echt, Marketing Manager/Technical Writer bei AT - Automation Technology

Unternehmensinformation

AT-Automation Technology GmbH

Hermann-Bössow-Str. 6-8
DE 23843 Bad Oldesloe
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Fax: 04531 88011-20

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