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Zerstörungsfreie Prüfung mit aktiver Thermografie

Inspektion von Verbundwerkstoffen in der Luftfahrt

Die aktive Thermografie ist ein hocheffizientes und sehr zuverlässiges Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung in der Luftfahrt. Insbesondere bei der Inspektion von Verbundwerkstoffen bietet sie zahlreiche Vorteile gegenüber klassischen Verfahren. Mobile Prüfsysteme ermöglichen eine lückenlose Qualitätssicherung in der Produktion ebenso wie eine schnelle Vor-Ort-Prüfung zu Wartungszwecken.

Verbundwerkstoffe wie CFK und GFK sind aus der Flugzeugproduktion nicht mehr wegzudenken. Mit ihrem geringen Gewicht und ihrer Robustheit tragen sie wesentlich zu einem sparsamen, sicheren Flugbetrieb bei. Bei zivilen Flugzeugen der neuen Generation wie der Boeing 787 und dem Airbus A350 machen sie bereits rund 50 Prozent der verbauten Materialien aus, bei militärischen Flugzeugen 70 Prozent und mehr.

Der Einsatz von Verbundwerkstoffen bringt jedoch auch Herausforderungen bei der Inspektion und Wartung mit sich. Schadensfälle 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 längeren Ausfallzeiten und wirtschaftlichen Einbußen kommt. Diese Prüfung muss zerstörungsfrei erfolgen (zerstörungsfreie Prüfung, kurz ZfP) und auch die inneren Bauteil-Strukturen erfassen. Entsprechende Lösungen müssen eine Reihe von Anforderungen erfüllen:

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

Nachteile klassischer ZfP-Verfahren

Klassische Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung von Verbundwerkstoffen wie das Tap-Hammer-Verfahren, die Phased-Array-Ultraschallprüfung oder die mechanische Impedanzanalyse erfüllen diese Anforderungen kaum. Beim Tap-Hammer-Verfahren ist das subjektive Hörempfinden des Prüfers entscheidend, was für Prüfungen in der Luftfahrt nicht mehr akzeptabel sein sollte. Für die Phased-Array-Ultraschallprüfung und die mechanische Impedanzanalyse sind große Geräte und komplizierte Aufbauten nötig, die ein mobiles Arbeiten erschweren. Da all diese Verfahren ursprünglich für punktuelle Untersuchungen gedacht waren, verursachen sie bei der Inspektion großer Flächen einen enormen Zeitaufwand. Meist liefern sie keine eindeutigen Messergebnisse, so dass es stark auf die Erfahrung und das Interpretationsvermögen des Prüfers ankommt. Und Funktionen zur automatischen Archivierung der Prüfergebnisse sucht der Anwender häufig vergebens.

Vorteile der aktiven Thermografie

Mit zerstörungsfreier Prüfung auf Basis der aktiven Thermografie lassen sich die beschriebenen Herausforderungen bei der Inspektion und Wartung von Flugzeugen jedoch sehr gut meistern. Bei diesem Verfahren wird das Prüfobjekt beispielsweise mit einer Halogenlampe oder einem Laser thermisch angeregt. Der Wärmefluss durch das Material spiegelt sich in der Temperaturentwicklung an dessen 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 eignet sich für die Prüfung unterschiedlicher Materialien und zur Erkennung aller Verbundwerkstoff-typischen Defekte, von Schichtablösungen über Lunker und Wassereinschlüsse bis zu Rissen. Da sie verschiedene Prüfmethoden und Messtechniken umfasst, ist eine optimale Abstimmung auf das jeweilige Material und die jeweiligen Bauteil-Strukturen möglich. Diese Methoden und Techniken unterscheiden sich vor allem in der Art der Anregungsquelle, darin, wie die thermische Energie eingesetzt wird, und in der mathematischen Analyse der Messergebnisse.

   

     

     

Den klassischen ZfP-Verfahren ist die aktive Thermografie in vielerlei Beziehung überlegen. Sie ermöglicht eine zerstörungsfreie und schnelle großflächige Inspektion von Verbundwerkstoffen. Moderne Thermografie-Systeme sind einfach zu bedienen und erfordern keinen Prüfer mit langjähriger Erfahrung. Eine Anpassung an die Größe des Prüfobjekts ist problemlos 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.

Die Messzeiten sind kurz; eine Messung an einer dünnwandigen Komponente dauert normalerweise nur wenige Sekunden. Die Messergebnisse werden als hochauflösende Bilder dargestellt, die sich einfach analysieren und archivieren lassen. Ist eine Expertenanalyse nötig, die vor Ort nicht geleistet werden kann, können die Bilder in elektronischer Form verschickt werden. Auch eine standardmäßige Remote-Prüfung ist 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 eingeführ

Für den Bedarf der Luftfahrt ist seit einigen Jahren eine maßgeschneiderte Lösung verfügbar. Die enge Zusammenarbeit von Airbus und AT – Automation Technology brachte ein mobiles Prüfsystem für die Vor-Ort-Inspektion hervor, C-CheckIR. Es 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, so dass sich C-CheckIR am Prüfobjekt befestigen und eine Messung an horizontalen wie vertikalen Flächen durchführen lässt.

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

Ein Messvorgang dauert nur wenige Sekunden und deckt eine Fläche von bis zu 430 x 340 mm ab. So ist beispielsweise die Inspektion eines A320-Seitenruders in nur fünf bis sieben Stunden erledigt, während sie beim Einsatz von Ultraschall-Prüfsystemen mehrere Tage dauern kann. 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).

Weitere Informationen zu C-CheckIR


12.02.2020

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