Dickwandige CFK-Bauteile wirtschaftlich und zerstörungsfrei prüfen

Je komplexer ein Bauteil aus Faserverbundwerkstoffen (CFK) ist, desto schwieriger ist auch seine Prüfung. In der Regel werden die dafür benötigten, robotergestützte Prüfanlagen daher für ein begrenztes Spektrum an Bauteilen entworfen, die nur schwer für die Prüfung anderer Bauteile genutzt werden können.

Im Projekt SonicScan wurde erforscht, wie dickwandige CFK-Bauteile automatisiert mit Phase Array Technologie geprüft werden kann. Dr. Christian Eitzinger erläutert in diesem Interview mit dem K-MAG, wie diese Technologie funktioniert und welche Vorteile sie für die Anwenderinnen und Anwender hat.

Dr. Eitzinger, was war der bisherige Weg, dickwandige Bauteile aus Faserverbundstoffen zu testen?

Dr. Christian Eitzinger: Für die Prüfung dickwandiger und kompliziert geformter Bauteile gibt es nur wenig Alternativen. Die bisher übliche Prüfung erfolgte manuell durch einen Experten, der den Prüfkopf über die Oberfläche führt und die Signale interpretiert. Dieser Ansatz ist für eine Serienfertigung in der Luftfahrt aber nicht wirtschaftlich umsetzbar. Als Alternative bieten sich nur Röntgenmethoden an, die das gesamte Volumen des Bauteils prüfen.

Generell ist bei innovativen Bauteilen in der Luftfahrt, wie der im Projekt behandelten Fahrwerkskomponente aus Karbonfaserverbund neben dem Bauteildesign auch die spätere Prüfbarkeit des Bauteils zu berücksichtigen.

Welchen neuen Ansatz verfolgten Sie mit Ihrer Forschung?

Eitzinger: Das Projekte hat sich zum Ziel gesetzt, einerseits die Prüfung solcher Bauteile mit Ultraschall möglich zu machen, und andererseits den Automatisierungsgrad zu erhöhen.

Wie funktioniert Ihre Phased-Array-Technologie?

Eitzinger: Im Gegensatz zur konventionellen Prüfung mit einer einzelnen Schallquelle, nutzt die Phased Array Technologie mehrere kleine Prüfköpfe, die nebeneinander angeordnet sind. Durch die gezielte Ansteuerung dieser Prüfköpfe lässt sich ohne Bewegung ein Querschnitt des Bauteils prüfen und der Strahl auf einen bestimmten Bereich fokussieren. Generell können mit der Phased Array Technologie Messdaten höherer Qualität in kürzerer Zeit erzeugt werden.

Welche Vorteile hat Ihre Technologie für die Anwenderinnen und Anwender?

Eitzinger: Um einen ganzen Bauteil prüfen zu können, muss der Ultraschallsensor über den Bauteil geführt werden. Im Projekt SonicScan wurde dazu neben der Prüftechnologie selbst auch die Automatisierung der Prüfung mit Hilfe von Robotern untersucht. Schwerpunkt der Entwicklungen war eine automatische Bewegungsplanung, die sicherstellt, dass das gesamte Volumen kollisionsfrei geprüft werden kann. Für die Anwenderinnen und Anwender reduziert sich damit der manuelle Aufwand bei der Bauteilprüfung im Serieneinsatz. Die höhere Flexibilität einer roboterbasierten Prüfung und die Möglichkeit, automatisch die Bewegung zu planen, erlauben auch eine schnellere Umstellung des Prüfsystems auf neue Bauteilgeometrien.

Auf welche Herausforderungen sind Sie bei der Entwicklung gestoßen? Wie haben Sie diese gemeistert?

Eitzinger: Grundsätzlich hat Ultraschall – so wie jede andere Prüftechnologie – gewisse physikalische Grenzen. In dickwandigen Verbundbauteilen ist die Abschwächung des Signals besonders ausgeprägt und die komplizierte Form des Bauteils mit Verjüngungen, Radien und einem generell anisotropen Aufbau reduziert die Qualität der Signale weiter. Im Projekt wurden daher für die Bewegungsplanung des Roboters die physikalischen Eigenschaften der Prüftechnologie im Detail berücksichtigt. Dadurch kann die Planung die Qualität der Signale möglichst hoch halten und die Grenzen des physikalisch Machbaren etwas weiter ausdehnen. Zusätzlich haben wir für die Analyse der Signale neueste Methoden des maschinellen Lernens ("deep learning") eingesetzt und trotz  beschränkter Trainingsdaten eine sehr gute Detektionsleistung erreicht.

Die Forschung ist seit Mitte 2021 abgeschlossen – was sind die nächsten Schritte in diesem Projekt?

Eitzinger: Am Ende des Projektes stand ein Labordemonstrator, an dem die wesentlichen Funktionen nachgewiesen werden konnten. Gemeinsam mit unserem Projektpartner ACS Solutions GmbH aus Saarbrücken, die die Expertise im Bereich Ultraschall eingebracht haben, entwickelt Profactor die roboterbasierte Prüftechnologie derzeit weiter, um den Reifegrad zu erhöhen und sie in die industrielle Umsetzung zu bringen.

Inwiefern machen Sie mit der Technologie einen Schritt in Richtung Zukunft der Kunststoffindustrie?

Eitzinger: Moderne Produktionsmethoden, vor allem auch für Karbon- und Glasfaserverbundbauteile, eröffnen für die Konstrukteure ganz neue Möglichkeiten, Bauteile zu entwerfen. Auch das Additive Manufacturing hat das Spektrum an wirtschaftlich herstellbaren Bauteilen deutlich vergrößert. In Bereichen mit hohen Sicherheits- und Qualitätsanforderungen benötigt es aber auch Prüftechnologien, so dass solche Bauteile in der Serienproduktion qualitätsgesichert hergestellt werden können. Das Projekt SonicScan hat dazu einen wesentlichen Beitrag geleistet. 

Welches Potenzial hat Robotik Ihrer Meinung nach allgemein in der Kunststoffindustrie?

Eitzinger: Das Potential der Robotik ist bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Ausgehend von einfachen „pick & place“-Aufgaben, zum Beispiel beim Be- und Entladen von Spritzgussmaschinen, sind eine Reihe weiterer Anwendungen in der Entwicklung beziehungsweise am Übergang zur Industrialisierung. Dazu gehört zum Beispiel das automatische Drapieren von Faserverbundbauteilen, das Polieren von Oberflächen oder das Auftragen von Klebe- und Dichtspuren. Mittelfristig wird auch die Mensch-Roboter Kollaboration an Bedeutung gewinnen, weil sie bei einer Reihe von Aufgaben "das Beste aus zwei Welten" vereint.