Werkstattgerechte Schadensanalyse in CFK-Strukturbauteilen mit optisch georteter Ultraschallmesstechnik

Nienheysen, Philipp Thomas; Schmitt, Robert H.; Schröder, Kai-Uwe

doi:HT021721981

Werkstattgerechte Schadensanalyse in CFK-Strukturbauteilen mit optisch georteter Ultraschallmesstechnik = Shopfloor suitable damage analysis in CFRP parts with optically tracked ultrasonic measurement technique

Nienheysen, Philipp Thomas^RWTH*

2023

VerantwortlichkeitsangabePhilipp Nienheysen

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-98555-136-1

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 44/2022

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Weitere Reihe: Fertigungsmesstechnik & Qualitätsmanagement. - Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schmitt, Robert H. (Thesis advisor)^RWTH* ; Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-08-31

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-01199
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/918236/files/918236.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CFK (frei) ; Messunsicherheit (frei) ; Reparatur (frei) ; Ultraschall (frei) ; cfrp (frei) ; measurement uncertainty (frei) ; peak detection (frei) ; repair (frei) ; ultrasonic (frei) ; ultrasound (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der globale Umsatz carbonfaserverstärkter Kunststoffe (CFK) verzeichnet weiterhin ein jährliches Wachstum im zweistelligen Prozentbereich. Größter Treiber dieses Wachstums ist neben der Luft- und Raumfahrtindustrie die Automobilindustrie. CFK zählen zu den Verbundwerkstoffen, stellen aber Konstruktionen dar, aus hochfesten, in eine Polymermatrix eingebetteten Fasern. Werden CFK im Automobilbau derzeit nicht mehr großflächig eingesetzt, so werden sie jedoch vermehrt dort eingesetzt, wo sie besondere Vorteile hinsichtlich Gewichtsersparnis, Steifigkeit und Festigkeit bieten. Die Sicherstellung der Festigkeit ist dabei eine der zentralen Herausforderungen. CFK zeigen Schadensbilder, die optisch meist kaum zu erfassen und bei konventionellen Werkstoffen unbekannt sind. Fehlend sind Messkonzepte zur Detektion, Lokalisierung und Quantifizierung von Schäden, die die für die CFK-Reparatur notwendigen Messdaten mit einer hinreichenden Unsicherheit bereitstellen können. Dieses Forschungsvorhaben adressiert die genannten Defizite mittels der Konzeptionierung und experimentellen Validierung eines optisch georteten Ultraschallmesssystems. Gemäß der Forschungsmethodik des Design Science Research werden die Forschungsergebnisse iterativ generiert und mit Hilfe verschiedener Versuchsaufbauten experimentell validiert. Der Design-Prozess ist dabei stets gekoppelt mit dem Anwendungsbereich der werkstattgerechten CFK-Reparatur und der vorhandenen Wissensbasis der Messtechnik. Die Konzeptionierung des optisch georteten Messsystems, bestehend aus einem Phased-Array-Ultraschallmesssystem und einem kamerabasierten Ortungssystem, erfolgt durch eine neuartige Kombination und Echtzeit-Synchronisierung der einzelnen Messsysteme. Hierzu wird eine Messsoftware zur Aufnahme, Visualisierung und Auswertung der Messdaten entwickelt. Die Auswertemethodik basiert auf einer Modellierung der Schallintensitätsverteilung, neuartigen Verfahren der Peak-Detektion sowie der 3D-Rekonstruktion der Ultraschallmessdaten. Die Validierung erfolgt mit Hilfe kalibrierter Versuchsbauteile. Gefolgt von einer Analyse der Einflussfaktoren auf den Messprozess und die betrachteten Messgrößen erfolgt die Messunsicherheitsanalyse in drei Schritten mit jeweils spezifisch konzeptionierten Versuchsaufbauten. Die Messunsicherheitsanalyse des optischen Ortungssystems erfolgt anhand von Referenz-Streckenmessungen eines Koordinatenmessgeräts und durch eine Variation der Grenzen des Parameterraums. Anschließend werden die Einflüsse des Phased-Array-Ultraschallmesssystem mittels eines Versuchsaufbaus bestehend aus einer Linearachsverfahreinheit und Messreihen in Tauchtechnik analysiert und auf Basis der errechneten Messunsicherheitsbeiträge iterativ optimiert. Zur Betrachtung des Gesamtsystems sowie zur Optimierung der softwareseitigen Einstellparameter werden Ultraschallmessung und optische Ortung im Verbund erprobt. Im letzten Schritt wird gezeigt, dass sich für den Praxiseinsatz die Messunsicherheit durch Zuhilfenahme von optisch erfassten Oberflächenmessdaten hinreichend reduzieren lässt. Der Erkenntnisgewinn beruht auf neuartigen Algorithmen zur modellbasierten Auswertung der 3D-rekonstruierten Ultraschallmessdaten sowie der erstmalig realisierten umfassenden Quantifizierung der hardware-, software- und prozessbezogenen Einflussfaktoren auf die Messunsicherheit eines optisch georteten Ultraschallmesssystems. Zudem wurde eine Methode entwickelt, die Messunsicherheit durch eine Kombination von Ultraschall- undoptisch erfassten Oberflächenmessdaten für den Praxiseinsatz zu reduzieren.

The global sales of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) still grow in a double-digit percentage range. Alongside the aerospace industry, the automotive industry is the biggest driver of this growth. CFRP belong to the group of composite materials, but in fact represent structures made of high-strength fibers embedded in a polymer matrix. Currently CFRPs are no longer used on a large scale in automotive construction, but they are increasingly being used where they offer particular advantages in terms of weight saving, stiffness and strength. Ensuring strength is one of the key challenges. Damage patterns in CFRP are hardly to detect visually and are unknown within conventional materials. Currently there is a lack of measurement concepts for the detection, localization and quantification of damages that can provide the measurement data required for CFRP repair with sufficient uncertainty. This research project addresses the mentioned deficits by means of the conceptual design and experimental validation of an optically tracked ultrasound measurement system. In accordance with the research methodology of Design Science Research, the research results are generated iteratively and validated experimentally with the help of various experimental setups. The design process is coupled with the application area of an CFRP repair shop and the existing knowledge base of measurement technology. The conceptual design of the optically tracked measurement system, consisting of a phased-array ultrasonic measurement system and an optical tracking system, is based on a novel combination and real-time synchronization of the individual measurement systems. For this purpose, a measurement software for recording, visualization and evaluation of the measurement data is developed. The evaluation methodology is based on a sound intensity distribution modeling, novel methods of peakdetection and 3D reconstruction of the ultrasonic measurement data. The concept is validated with the help of calibrated test components. The uncertainty analysis is carried out in three steps with specifically designed test setups, followed by an analysis of the factors influencing the measurement process and the measured variables. The uncertainty analysis of the optical tracking system is performed by reference distance measurements of a coordinate measuring machine and by varying the limits of the parameter space. Subsequently, the influences of the phased array ultrasonic measurement system are analyzed by means of an experimental setup consisting of a linear axis traversing unit and series of measurements in immersion technique and optimized iteratively based on the calculated measurement uncertainty contributions. Ultrasonic measurement and optical tracking are tested in combination to examine the overall system and to optimize the software setting parameters. In the last step, it is shown that the measurement uncertainty can be sufficiently reduced for practical use by using optically measured surface data. The knowledge gained is based on novel algorithms for the model-based evaluation of the 3D reconstructed ultrasonic measurement data as well as the for the first time realized quantification of the hardware-, software- and process-related influencing factors on the uncertainty of the optically tracked ultrasonic measurement system. In addition, a method was developed to reduce the measurement uncertainty by combining ultrasound and surface measurement data for practical use.

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