Defekt selektierende ZfP-Methoden an Faserverbundbauteilen

Defekt selektierende zfP-Methoden
an 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
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Übersicht
1. Einleitung
2. Defekte an Faserverbundbauteilen
Übersicht verschiedener Fehler bei CFK (Carbonfaserverstärkte
Kunststoffe) und CMC (Keramik Matrix Composites)
Angewandte zfP Methoden
3. Fertigungsfehler und Schädigungsentwicklung unter
statischer und dynamischer Belastung an
Faserverbundbauteilen
Beispiele
4. Zusammenfassung
Folie 2
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Hintergrund
Folie 3
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Relevanz von zfP für Faserverbundstrukturen
zfP
zfP
Qualität, Defekte
Defekte
Qualität,
Schädigung
Schädigung
Belastung
Belastung
Resttragfähigkeit
Resttragfähigkeit
Korrelation
Korrelation
Versuch Simulation
Simulation
Versuch
Thermo-mechanicanisch
Thermo-mechanicanisch
FVW
C/C-SiC
CFK
Sandwich
Zuverlässigkeit
Zuverlässigkeit
Lebensdauervorhersage
Lebensdauervorhersage
Lastkollektiv
Lastkollektiv
Herstellung
Herstellung
Thermo-mechanisch
Thermo-mechanisch
Prozessverbesserung
Prozessverbesserung
Simulation
Simulation
FEM, Analyse
Analyse
FEM,
Folie 4
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
X- ray
NDI Methods
(Projection, Refraction, CT)
Laser-Scanning
Microscopy/Photoelasticity
Strain Measurements
(Photogrammetry, ESPI,
Laser Extensometer )
Electromagnetic Methods
(Microwaves, eddy current,
Potential Sensor)
Thermography (Puls-Phase,
light- or ultrasonic excited)
Vibrometry (imaging, linear,
non-linear, damage-selective)
Sound waves (AE, PulsEcho, Air coupled, LambWaves, non-linear)
Glasfiber/
Thermoplastic
CFRP
GFRP
Wood
Steelfiber/
Concrete
C/C-SiC CelluloseGipsum
Materials
NDI Methods for Different Fiber Reinforced Materials
DFG Collaborative Research Project SFB 381
Folie 5
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Principle and set-up of Optical Lockin Thermography (LT)
¾ modulated halogen
lamps illuminate the
sample
¾ periodically response to
this excitation observed
with a thermographic
camera
¾ Fourier analysis of signal
to get amplitude & phase
picture
Section of CF-PEEK rudder
μ
=
__
____
α
√
πf
μ
thermal diffusion length
α
thermal diffusivity
f
frequency
CEDIP JADE III LWIR Infrarot-Camera
Focal Plane Array Detect.
320*240 LWIR MCT
Spectral Sensitivity: 7.7-9.3µm
Stirling cooling
Therm. sensitivity.: 35mK
• Rapid, cost effective inspections,
• increased range of inspectable materials
• Larger inspected areas
Increase depth range 2x requires reduction f of 4
Folie 6
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
US & LT: Impact geschädigte CFK Platten
USImpulsecho
[0/45/90]s
[0/90]s Gewebe
Lockin
Thermog.
Folie 7
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 8
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 9
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Ceramic Matrix Composites
Macro
global
Meso
local
X-38
CFRP
Photo
X-ray
C/C
US A-scan
US C-scan
Lockin Therm.
C/C-SiC
Folie 10
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
DLR Gas gun laboratory for HVI (High Velocity
Impact)-Tests
Lab equipped with 3 gas guns and steel
target chamber (3m x 2.5m x 2.5 m)
HVI-spectrum: From bird strike and tire
fragments to hailstones and FOD (Foreign Object
Damage) on aircraft and aeroengine structures
200 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/s
Evaluation of structural damage
- HS digital camera, dynamic load and strain
measurements, US-C Scan, lockin thermography,
X-ray with computer tomography CT
Set-up for impact test on fuselage shell
Folie 11
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Eiskugel Impact
Photron
X-ray
Fastcamp APXRS2
28000fps
1/28000 sec
Sandwichstruktur:
Faltwaben mit CFK Deckschichten
Folie 12
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
NDI: Geschädigte Faltwaben-Sandwichplatte
Impact damage: 0.03 kg glass ball, 78 m/s
US C-scan (Air coupled)
Lockin
Thermography
front side
0.03 Hz
Lockin
Thermography
rear side
0.03 Hz
X-ray
Folie 13
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
CfK Stringerversteifte Paneele
Impact
Geschw.
3
69.1
5
75
6
99.9
7
100
vorne
Fotografie
Lockin Thermog.
US-Wasser Durchschallung
hinten
Folie 14
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
VARI (Vacuum Assist. Resin Infusion) Manufacturing Process NC- Laminates
Phasenbild bei 0,06 Hz
Phasenbild bei 0,06 Hz
•Reflexionsanordnung
•Transmissionsanordnung
L. Chatzigeorgiou
Folie 15
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Herstellung C/C-SiC Platten
CFK
C/C-SiC
siliziert
low
C/C-SiC
entsiliziert
high
Ultrasonic C-scans
US A-scan Signal an
verschiedenen Stellen
Folie 16
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Einstufige Klebeverbindung : Fatigue Test (R=0.1)
CfK
CFK
1.5 105
0
5.7 106
35x
C/C-SiC
100x
C/C-SiC
0
4 105
17 106
US C-scan
SFB 381
CfK
Universität Stuttgart
150x
C/C-SiC
Folie 17
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
NDI Correlations: non homogeneous C/C-SiC
Photo
Ultrasound C-scan
US A-scan
US-amplitude
300
250
200
150
100
50
0
0
2
4
6
8
6
8
thickness mm
c33 =100 GPa
US-amplitude
e‘=4.49%
Impact
spheric10J
300
200
100
0
0
2
4
thickness mm
c33 =40 GPa
front
X-ray
Lockin Thermography
e‘=3.55%
e‘=17%
rear
Folie 18
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
CFRP Non crimp laminate [0/45/90]s CAI(Compression After Impact) tests
Summcount
4.00E+04
3.00E+04
2.00E+04
AE
1.00E+04
0.00E+00
-150
US C-scan-50
-100
0
Displ. Z (16000 LW)
LT
Stress [MPa]
US
C-scan
Folie 19
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Impact Damaged CFRP Sandwich (Fold Core) CT- Views
Folie 20
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Non crimp laminate: Compression fatigue loading
strain distribution
40 kN stat.
20000 Load Cycles
1000 Load Cycles
Non crimp laminate
CAI fatigue
30J impact
60kN
Folie 21
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
US C-scan u. CT Aufn. impactbeschädigter Paneele
N=0
N = 6000 cycles
N = 6889 cycles
CT
Aufnahmen
C
nach
Bruch
T
6900 Zyklen
X-Y Ebene
2
1
5
3
Y-Z Ebene
1
2
3
5
Folie 22
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
US-CfK Welle
US Impuls-Echo
US Impuls-Echo
2.25 MHz; 75 dB
CFK
Al
X: Umfang der Welle
US Durchschallung
US Durchschallung
2.25 MHz; 31 dB
Umfang
Folie 23
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
US-CfK Welle
US Amplitude
US A-scan
über die Dicke
bei 270°
0°
270°
90°
180°
D
l25
l180m
l150mm
l120mm
l9 0mm
l7 0mm
l50 mm
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Dicke [mm]
Dicke
Al
CFK
5 mm Axialer Abstand
250 mm
Folie 24
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
CT-CfK Welle
Folie 25
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Folie 26
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
GFRP Tubes – Fatigue Shear Loading
Opt. Strain measurements
Lockin Thermography
+160Nm
cycles
°C
44
0.30°
1
39.7
37.0
34.2
1000
31.5
28.8
26.1
2000
23.4
20.7
18
2500
0.20°
LW: 38.787
• 3D deformation measurement
of an object surface
• Optical field method comb. w.
• Object grating
• Remote sensing
Folie 27
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
http://compositesdesign.stanford.edu
Folie 28
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Zusammenfassung
¾US, Thermografie, Röntgen und Computer Tomografie sind Defekt
selektierende, notwendige zerstörungsfreie Verfahren zur Ermittlung von
Schädigungszuständen an Faserverbundwerkstoffen in situ, beim Service,
sowie bei Komponenten oder Strukturelementen.
¾Synergieeffekte werden durch Kombination verschiedener NDT Methoden
erzielt. CT Untersuchungen ermöglichen 3-D detaillierte
Strukturinformationen.
¾Zum besseren Verständnis von Schädigungsmechanismen bei
Faserverbundstrukturen sind Simulationsmodelle, die die Anisotropie der
Werkstoffe berücksichtigen, erforderlich.
¾Neutronenstrahlbasierte Prüfverfahren werden die Einsatzbandbreite der
zfP wesentlich erweitern.
Folie 29
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum
Vielen Dank
für Ihre Aufmerksamkeit
Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum