Verbundwerkstoffe sind neue Materialien, die durch fortschrittliche Materialvorbereitungstechniken entstehen und Komponenten mit unterschiedlichen Eigenschaften auf optimierte Weise kombinieren. In den 1940er Jahren wurden aufgrund der Bedürfnisse der Luftfahrtindustrie glasfaserverstärkte Kunststoffe (allgemein bekannt als Fiberglas) entwickelt, was den Beginn des Begriffs „Verbundwerkstoffe“ markierte. Nach den 1950er Jahren wurden sukzessive hochfeste und hochmodulige Fasern wie Kohlenstofffasern, Graphitfasern und Borfasern entwickelt. In den 1970er Jahren kamen auch Aramidfasern und Siliziumkarbidfasern auf den Markt. Mit der zunehmenden Anwendung von Verbundwerkstoffen in verschiedenen Bereichen – insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Baugewerbe, der Elektronik und den neuen Energiesektoren – weist die globale Verbundwerkstoffindustrie einen kontinuierlichen Wachstumstrend auf.

Da in verschiedenen Branchen immer mehr Verbundwerkstoffe und -strukturen verwendet werden, ist es zu einem wichtigen Thema geworden, zu verstehen, wie man sie auf Schäden untersucht. In diesem Artikel werden mehrere gängige Methoden der zerstörungsfreien Prüfung (NDT) für Verbundwerkstoffe besprochen.

Die zerstörungsfreie Prüfung (NDT) ist eine Standardprüfmethode in der Verbundwerkstoffindustrie, bei der das Material nicht geschnitten oder auf andere Weise verändert werden muss. Es ist auch für die Herstellung qualitativ hochwertiger Produkte unerlässlich. Es stehen mehrere ZfP-Methoden zur Auswahl, und manchmal müssen mehrere Methoden gleichzeitig verwendet werden, um die Arten, Größen, Positionen und Tiefen von Defekten in Verbundlaminaten vollständig zu verstehen.

(2) Die Schlagprüfung ist eine weitere grundlegende Prüfmethode. Dabei wird mit einem Hammer oder einer Münze vorsichtig auf die Oberfläche des Teils geklopft. Ein heller metallischer Klang weist darauf hin, dass die Struktur intakt ist, während ein dumpfer „Knall“ auf das Vorhandensein von Mängeln wie Delaminierung oder Ablösung hinweist. Digitale Hämmer können die Schlagreaktion messen und die Reaktionszeit des Laminats in Millisekunden anzeigen. Eine kürzere Reaktionszeit bedeutet, dass die Struktur weniger Stöße absorbiert, was darauf hindeutet, dass sie solide ist. Umgekehrt ist bei Vorliegen von Defekten die Reaktionszeit länger, was zu höheren Messwerten auf dem Display führt.

Diese Methode ist bei dünnen Laminaten mit einer Dicke von weniger als 3,05 mm effektiver, während sie bei sehr dicken Laminaten möglicherweise keine zuverlässigen Ergebnisse liefert. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass es manchmal zu falschen Messwerten kommen kann, insbesondere wenn die Rückseite des Laminats mit einer anderen Struktur verklebt ist.

(3) Ultraschallprüfung (UT) ist derzeit die am weitesten verbreitete zerstörungsfreie Prüfmethode. Das Prinzip der Ultraschallprüfung besteht darin, hochfrequente Energiewellen (im Bereich von 0,5 bis 25 MHz) in ein Laminat zu senden, die Amplitude und Flugzeit dieser Wellenformen zu erfassen und zu quantifizieren, um Materialeigenschaften und Strukturänderungen zu analysieren. Die wichtigsten Methoden der Ultraschallprüfung sind:

Pulsecho-Ultraschallprüfung: Diese Methode kann mit einer einseitigen Ultraschallsonde durchgeführt werden, die sowohl als Sender als auch als Empfänger fungiert. Es arbeitet mit einer Hochdruckimpulsanregung, wobei jeder elektrische Impuls das Wandlerelement aktiviert. Dieses Element wandelt elektrische Energie in mechanische Energie in Form von Ultraschallwellen um. Die Wellenenergie gelangt über eine Kontaktspitze aus Teflon® oder Methacrylat in das Prüfteil. Im Prüfteil werden Wellenformen erzeugt und vom Wandlerelement erfasst. Jegliche Änderungen in der Amplitude des empfangenen Signals oder in der Zeit, die das Echo benötigt, um zum Wandler zurückzukehren, weisen auf das Vorhandensein von Defekten hin. Puls-Echo-Tests werden verwendet, um Delaminationen, Risse, Hohlräume, Wasser und Ablösungen von Klebstoffkomponenten zu erkennen. Es ist jedoch schwieriger, Delaminationen oder Defekte zwischen dem Kern und der Haut von Sandwichstrukturen zu erkennen.

Ultraschallprüfung mit Durchstrahlung: Bei dieser Methode werden zwei Wandler verwendet, einer auf jeder Seite des zu prüfenden Bereichs. Das Ultraschallsignal wird von einem Wandler zum anderen übertragen. Der Intensitätsverlust des Signals wird dann mithilfe von Instrumenten gemessen, die diesen Verlust als Prozentsatz der ursprünglichen Signalstärke oder in Dezibel darstellen. Bereiche, in denen der Signalverlust die Referenzstandards überschreitet, werden als Defektbereiche identifiziert.

Niederfrequenz- und Hochfrequenz-Bondungstester: Diese Bonding-Tester verwenden Prüfsonden, die mit einem oder zwei Wandlern ausgestattet sind. Hochfrequenz-Bonding-Tester dienen zur Erkennung von Delaminationen und Hohlräumen und sind in der Lage, Defekte mit einem Durchmesser von nur 0,5 Zoll zu identifizieren. Sie können jedoch keine Ablösungen oder Hohlräume von der Oberfläche bis zum Wabenkern erkennen. Niederfrequenz-Bonding-Tester verwenden zwei Sensoren, um Delaminationen, Hohlräume und das Ablösen von Wabenkernen zu erkennen. Sie können jedoch nicht bestimmen, welche Seite des Teils beschädigt ist, und sind nicht in der Lage, Fehler zu erkennen, die kleiner als 1,0 Zoll sind.

Phased-Array-Ultraschallprüfung: Die Phased-Array-Prüfung ist eine der neuesten Ultraschallmethoden zur Erkennung von Defekten in Verbundstrukturen. Es funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie Puls-Echo-Methoden, nutzt jedoch Dutzende oder sogar mehr Sensoren gleichzeitig, was den Inspektionsprozess erheblich beschleunigt.

(4)Wärmebildprüfung Das Funktionsprinzip der gepulsten Infrarot-Wärmebildgebung beinhaltet die Verwendung aktiver Heiztechniken zur automatischen Aufzeichnung von Oberflächendefekten in Testproben. Es misst Temperaturunterschiede im Matrixmaterial, die durch unterschiedliche thermische Eigenschaften verursacht werden, und ermöglicht so die Identifizierung von Schäden sowohl an der Oberfläche als auch im Inneren. Diese Methode zeichnet sich durch ihre berührungslose, Echtzeit-, effiziente und intuitive Natur aus und eignet sich daher besonders zur Erkennung von Delaminationen, Porosität, Ablösung, Schichtung und flächenhaften Defekten in Verbundstrukturen zwischen Verbundwerkstoffen und Metallen.

Die Wärmebildtechnik ist besonders nützlich, wenn Teile oder Komponenten für die Ultraschall-C-Scan-Prüfung nicht in Wasser getaucht werden können oder wenn die Oberflächenform der Teile eine Ultraschallprüfung schwierig macht. Diese Technik bietet eine wertvolle Alternative zur Beurteilung der Integrität komplexer Strukturen.

(5) Röntgenprüfung (RT), in der Regel die Röntgenprüfung, ist eine wertvolle Methode der zerstörungsfreien Prüfung (NDT), da sie eine Innenansicht einer Komponente ohne Demontage ermöglicht. Bei dieser Methode werden Röntgenstrahlen durch das Testteil geleitet und die Absorptionsschwankungen auf einem röntgenempfindlichen Film erfasst. Nach der Entwicklung des belichteten Films analysieren die Prüfer die Unterschiede in der Opazität und erstellen so effektiv eine visuelle Darstellung der inneren Details.

Während die Röntgenprüfung nicht ideal für die Erkennung von Defekten wie Delaminationen auf Ebenen senkrecht zur Röntgenrichtung ist, eignet sie sich hervorragend für die Erkennung von Defekten parallel zum Röntgenstrahl. Interne Anomalien wie Eckdelaminationen, zerdrückte Kerne, gebrochene Kerne, Wasser in Kernzellen, Hohlräume in Schaumklebefugen und die relative Positionierung interner Details sind mit Röntgenbildern leicht sichtbar.

Da die meisten Verbundwerkstoffe für Röntgenstrahlen nahezu transparent sind, sind Röntgenstrahlen mit niedriger Energie erforderlich. Aus Sicherheitsgründen ist RT in der Nähe von Flugzeugen im Allgemeinen unpraktisch, und die Bediener müssen eine Bleiabschirmung verwenden und einen Sicherheitsabstand zu Röntgenquellen einhalten.

Es gibt mehrere radiologische Prüftechniken, die jeweils für bestimmte Anwendungen geeignet sind:

Für Teile mittlerer Dicke eignet sich die Standard-Röntgenaufnahme.
Für dünne Teile (1–5 mm) wird Niederspannungsradiographie verwendet.
Bei dicken Bauteilen kommt die Gammaradiographie zum Einsatz.
Die Neutronenradiographie, eine ergänzende Methode zur Röntgenbildgebung, visualisiert interne Merkmale basierend auf der Schwächung durch verschiedene Medien. Die Neutronenübertragung wird durch den Neutronenquerschnitt der Atomkerne im Material beeinflusst und ermöglicht die Visualisierung von Merkmalen wie leichten Elementen (z. B. Wasserstoff in Korrosion oder Wasser), die mit Röntgenstrahlen allein nicht erkennbar sind.

(6) Shearographie-Tests: Shearographie ist eine laserbasierte optische Methode, die ein shearographisches Interferometer verwendet, um Verformungen außerhalb der Ebene in Bauteilen zu erkennen und zu messen. Zunächst wird das Teil im Leerlauf gemessen. Anschließend wird der Test unter angelegten Belastungen wiederholt, zu denen thermische, mechanische, akustische, Druck-, Vakuum-, elektrische, magnetische, Mikrowellen- oder mechanische Belastungen gehören können. Dieser Prozess ermöglicht es einer Kamera, Spannungsstreifenmuster auf der Oberfläche des Laminats zu erfassen, wo darunter liegende Defekte vorhanden sind.

Eine spezielle Computersoftware extrapoliert die verpackten Phasenkartenbilder, um eine unverpackte Phasenkarte zu erstellen, und wandelt sie zur Anzeige und Bewertung in ein integriertes visuelles Bild um. Insbesondere kann diese Technik Fehlerstellen schnell aufdecken, erfordert jedoch weitere Ultraschalltests, um die Fehlertiefe zu bestimmen.

Akustische Emissionsprüfung (AE): Bei der akustischen Emissionsprüfung werden Schallemissionssignale erkannt und analysiert, die von Verbundwerkstoffen oder Strukturen unter Last erzeugt werden, und so die Gesamtqualität von Verbundbauteilen bewertet. Diese Technik eignet sich effektiv für die Fehleranalyse, indem sie den Schadensverlauf und Fehlermuster innerhalb von Verbundwerkstoffen widerspiegelt, die endgültige Tragfähigkeit vorhersagt und Schwachstellen in der Komponentenqualität identifiziert.

AE-Technologie ist praktisch und benutzerfreundlich und liefert wertvolle Erkenntnisse über Materialverformungen und Schadensprozesse bei mechanischen Tests. Zu den AE-Methoden gehören hauptsächlich:

Parameteranalyse: Durch die Aufzeichnung und Analyse von Signalparametern wie Amplitude, Energie, Dauer, Klingelanzahl und Ereignisnummer werden Schadensmerkmale wie Schweregrad, Ort und Fehlermechanismen bewertet. Ein großer Nachteil besteht jedoch darin, dass AE-Quelleninformationen durch Resonanzsensoren verdeckt werden können, was zu einer schlechten Reproduzierbarkeit der experimentellen Ergebnisse führt.

Wellenformanalyse: Dieser Ansatz zeichnet AE-Signalwellenformen auf und analysiert sie, um Spektren und Korrelationsfunktionen zu erhalten. Es hilft bei der Identifizierung von Frequenzmerkmalen, die mit Schadensstadien und -mechanismen verbunden sind, und bietet Einblicke in das Schadensprofil des Materials.

Spektralanalyse: Diese Technik, die sowohl klassische als auch moderne Spektralanalyse umfasst, wandelt AE-Signale vom Zeitbereich in den Frequenzbereich um. Es ermöglicht die Identifizierung intrinsischer AE-Quelleninformationen durch die Untersuchung verschiedener Signaleigenschaften im Frequenzbereich. Allerdings geht die Spektralanalyse davon aus, dass es sich bei dem Signal um ein stationäres, periodisches Signal handelt, was seine Fähigkeit zur Erfassung lokalisierter Informationsschwankungen einschränkt.