Defekt selektierende ZfP-Methoden an Faserverbundbauteilen
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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