18. JANUAR 2019

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Delaminationsdetektion an Schichtverbunden


Mögliche Delaminationen stellen bislang die größte Hemmschwelle für die Nutzung von Schichtverbunden, bestehend aus Metall- und Polymerschichten, in der Automobilbranche dar. Neben geeigneten Bearbeitungsstrategien zur Reduzierung von Delamination besteht vor allem hinsichtlich einer reproduzierbaren und inline-fähigen Methode zur Delaminationsdetektion Entwicklungsbedarf.

Herausforderungen
Schichtverbunde, bestehend aus metallischen Deckschichten und einem Polymerkern, zeichnen sich vor allem durch eine hohe gewichtsspezifische Biegesteifigkeit gegenüber monolithischen Werkstoffen aus, stellen jedoch neue Herausforderungen an die Fertigungsprozesse. Standardisierte Fertigungsverfahren wie das Scherschneiden führen ohne Anpassung auf Schichtverbunde zu hohen Kanteneinzügen und in deren Folge zu Delamination.

Eine weitere Quelle für Delamination ist die Fertigung der Halbzeuge. Schwankende Oberflächenqualitäten der Einzelkomponenten können hier zu partiell mangelhaften bis nicht vorhandenen Verbindungen führen. Bisher bestand hier lediglich die Möglichkeit, die Halbzeuge akustisch und visuell zu prüfen.

Beide Verfahren werden manuell durchgeführt und unterliegen subjektiven Einflüssen. Ziel der nachstehend beschriebenen Untersuchungen war es daher, reproduzierbare und inline-fähige Prüfmethoden für die Bauteilprüfung an Schichtverbunden hinsichtlich Messdauer und Auflösungsvermögen zu qualifizieren.

Prüfverfahren
Für die Prüfung von Bauteilen hinsichtlich Fehlstellen wie Rissen oder Hohlräumen steht eine Vielzahl von Verfahren zur Verfügung (vergleiche Tabelle 1). Da die Prüfung meist am fertigen Bauteil erfolgt, sind nahezu alle Prüfverfahren zerstörungsfrei.

Im Rahmen der Untersuchungen wurde der Fokus auf die gängigen zerstörungsfreien Verfahren zur Bauteilprüfung Ultraschall, Thermographie, Vibrometrie und Computertomographie gelegt. Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die verwendeten Apparaturen und Hilfsstoffe sowie weitere mögliche Verfahren für die Bauteilprüfung.

Für eine verbesserte Einkopplung der Schallwellen bei der Ultraschallprüfung in das Bauteil erfolgt zunächst die Benetzung mit einem Koppelmedium oder – wie im vorliegenden Fall – durch das Legen in ein Wasserbad. Anschließend wird der Prüfkopf (hier: Sender und Empfänger) auf der Oberfläche des Bauteils positioniert.

Die eingekoppelten Schallwellen breiten sich in dem Bauteil mit einer werkstoffspezifischen Geschwindigkeit aus und werden an Reflexionsflächen (Fehlstellen oder Bauteilkanten) reflektiert. Aufgrund der unterschiedlichen Strecken zwischen Sender/Empfänger und der Reflexionsfläche kommt es zu Laufzeitunterschieden der Reflexionsechos. Durch Korrelation der Laufzeitunterschiede und der Position des Prüfkopfes auf dem Bauteil sind Fehlstellen räumlich zu lokalisieren.

Für die Delaminationsdetektion von Schichtverbunden mittels Thermographie sind diese zunächst thermisch anzuregen. Inhomogenitäten im Bauteil stören den Wärmefluss und führen je nach Messprinzip zu Wärmequellen (Reflexionsprinzip) oder Wärmesenken (Durchstrahlungsprinzip). Im vorliegenden Fall erfolgte die Anregung mittels Blitzlampe.

Da der laterale Wärmefluss einen Temperaturausgleich zwischen den Wärmesenken und -quellen und dem umliegenden Material hervorruft, ist es für eine hohe Auflösung nötig, dass die thermische Anregung wie auch die Bildverarbeitung im Mikrosekundenbereich erfolgt. Zur Optimierung der thermischen Einkopplung sowie der Reproduzierbarkeit werden glänzende Oberflächen meist mit einer schwarzen Beschichtung (Sprühlack) überzogen.

Gänzlich ohne Hilfsstoffe kommt die Vibrometrieprüfung aus. Bei dieser Prüfmethode wird das Schwingungsverhalten des Bauteils analysiert. Identische Bauteile weisen ein identisches Schwingungsverhalten bei gleicher Anregung auf. Liegt ein Defekt im Bauteil, beispielsweise Delamination in Schichtverbunden, vor, verändert sich das Schwingungsverhalten. Durch Abgleich mehrerer Sensorsignale kann zudem die Position des Defektes bestimmt werden.

Auch für die Delaminationsdetektion mittels Computertomographie sind keine Hilfsstoffe notwendig. Im Gegensatz zu den übrigen Prüfverfahren sind jedoch Maßnahmen zum Strahlenschutz notwendig. In der Regel werden diese durch die Einhausung des Gerätes (Voll-Schutzgeräte) sichergestellt.

Bei der Bauteilprüfung mittels Computertomographie wird das Bauteil mittels Röntgenstrahlung „durchstrahlt“. Hierbei wird der Röntgenstrahl in Bereichen hoher Dichte stärker geschwächt (erscheint heller) als in Bereichen mit geringer Dichte (etwa Delaminationen, erscheinen dunkler).

Mit Hilfe eines Detektors wird die Intensitätsverteilung des aufgefächerten Röntgenstrahls erfasst. Die Abstände zwischen Röntgenstrahlquelle, Prüfobjekt und Detektor bestimmen die Vergrößerung des Prüfobjektes auf dem Detektor und somit direkt die Auflösung. Durch Drehen der Probe entstehen Aufnahmen aus verschiedenen Winkeln. Die anschließende Rekonstruktion aller Einzelaufnahmen ermöglicht die volumetrische Bauteilprüfung.

Ergebnisdarstellung
Die Wahl eines geeigneten Verfahrens zur Delaminationsdetektion an Schichtverbunden ist maßgeblich von den Randbedingungen sowie den Qualitätsanforderungen abhängig. Tabelle 2 fasst die wesentlichen Eigenschaften der untersuchten Verfahren zusammen.

Bei der Wahl eines geeigneten Prüfverfahrens spielen neben der grundsätzlichen Eignung zur Detektion von Delaminationen in Schichtverbunden eine wichtige Rolle:
• die Umgebungsbedingungen (Temperatur, Vibrationen, Beleuchtung, Temperatur),
• die Qualitätsanforderungen (Low-Cost Bauteile oder sicherheitsrelevante Bauteile),
• die erforderliche Taktzeit.
 
Der Inline-Einsatz der Thermographieprüfung ist in Bereichen mit hohen Temperaturschwankungen oder thermischer Streustrahlung nicht reproduzierbar möglich. Ebenso sind schwingungsbasierende Bauteilprüfungen mittels Ultraschall- und Vibrometrietechnik in maschinennahen Bereichen nur eingeschränkt umsetzbar. Der Einsatz röntgenbasierender Prüfmethoden wie der Computertomographie (CT) ist vor allem durch die erforderlichen Strahlenschutzmaßnahmen beschränkt und nur bei hochqualitativen Bauteilen vertretbar.

Während die Umgebungsbedingungen in gewissen Grenzen beeinflussbar sind, sind die Detektionsgrenzen verfahrensspezifische Kennwerte. Ist es das Ziel der Bauteilprüfung kleine Fehlstellen zu detektieren, eignen sich als Prüfverfahren lediglich die Ultraschalltechnik sowie die CT-Prüfung. Mittels Ultraschallprüfung sind selbst Fehlstellen mit einer Tiefe von zehn Mikrometern und einer lateralen Ausdehnung von unter einem Millimeter hochaufgelöst zu detektieren.

Eine vergleichbar hohe Auflösung bietet die Prüfung mittels CT. Gegenüber der Ultraschalltechnik besteht jedoch der Nachteil, dass die Probenabmessungen durch den Bauraum der Anlage sowie die Kanten- und Dichteverhältnisse der einzelnen Materialien beschränkt sind.

Während die dargestellten Ultraschallmessungen je Bauteil fünf Minuten in Anspruch nehmen, sind aufgrund der hohen Auflösung bei der Prüfung mittels CT 40 Minuten zu veranschlagen. Sind die Qualitätsanforderungen geringer, kann die Messzeit durch eine reduzierte Auflösung jedoch deutlich gesenkt werden. Aufgrund der erforderlichen exakten Probenpositionierung im CT sind, auch bei reduzierter Auflösung, Messzeiten unter fünf Minuten je Bauteil allerdings nicht realisierbar.

Ein Verfahren mit sehr kurzen Messzeiten ist die Thermographieprüfung. Gegenüber der Ultraschallprüfung und der CT-Prüfung ist bei Aluminiumdeckblechen jedoch eine schwarze Deckschicht aufzutragen, die nach der Messung wieder zu entfernen ist. Die eigentliche Messzeit beträgt wenige Sekunden. Aufgrund der hohen Wärmeleitung von Aluminium ist bei der Thermographieprüfung von Schichtverbunden eine vergleichbare Auflösung wie bei der Ultraschalltechnik und CT-Prüfung nicht erreichbar.

Während bei monolithischen Bauteilen die Rissdetektion mittels Vibrometrieprüfung (Analyse des Schwingungsverhaltens) aufgrund der hohen Reproduzierbarkeit und der kurzen Messdauer gängig ist, zeigte sich das Verfahren in Folge des stark schwingungsdämpfenden Kerns für die Delaminationsprüfung als gänzlich ungeeignet. Selbst gezielt eingebrachte Delaminationen von mehreren Zentimetern sind nicht zu detektieren.


Die dargestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke" e. V. (AiF e. V.) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG geförderte Clusters „Trocken-Scherschneiden von metallischen Schichtverbundwerkstoffen" erarbeitet.

 

P. Groche; P. Stein

Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen, TU Darmstadt

Datum:
25.05.2016
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Bilder:
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