Bestimmung des transmittierten Luftultraschalls bei der Prüfung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen

Steigende Kundenanforderungen führen zu einer zunehmend vielseitigen Produktgestaltung. Die einzelnen Produktbauteile müssen diesen ständig wachsenden Anforderungen gerecht werden und gewinnen daher an Komplexität. Der Einsatz multimaterieller Bauteile, die beispielsweise aus faserverstärkten Kunststoffen bestehen, verspricht, hohe mechanische Anforderungen bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion zu erfüllen. Ein solcher multimaterieller Aufbau führt jedoch zu steigenden Material- und Produktionskosten, weshalb der Vermeidung von Ausschuss eine hohe Bedeutung zukommt. Damit ist der vermehrte Einsatz von zerstörungsfreien und produktionsbegleitenden Prüfverfahren zur Sicherung der Bauteilqualität erforderlich.
Mit der Luftultraschalluntersuchung in Transmission hat sich in den letzten Jahren ein zerstörungsfreies Prüfverfahren entwickelt, das in der industriellen Anwendung zunehmend zur Prüfung von multimateriellen Bauteilen mit geometrisch komplexer Formgebung eingesetzt wird. Die Prüfköpfe arbeiten kontaktlos und der Auftrag eines Koppelmediums entfällt. Das Messsignal der Luftultraschalluntersuchung in Transmission weist jedoch starke Abhängigkeiten von der Bauteilgeometrie, den Materialparametern und eventuell auftretenden Fehlerstellen auf. Die Beeinflussung des Messsignals durch die Bauteilgeometrie und die Materialparameter kann über den Einbezug von Konstruktions- und Simulationsdaten prognostiziert und kompensiert werden, sodass dadurch tatsächliche Fehlerstellen durch die Veränderung des Messsignals eindeutig identifizierbar werden. Der Grad der Messsignalbeeinflussung durch die Bauteilgeometrie und die Materialparameter ist für multimaterielle Bauteile jedoch nur aufwendig zu ermitteln und insbesondere für faserverstärkte Kunststoffe bislang nicht bekannt.
Deshalb ist die Luftultraschalluntersuchung zur produktionsbegleitenden Qualitätssicherung bislang nicht mit ausreichender Güte einsetzbar.
Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, durch einen mathematischen Ansatz das Messsignal anhand der gegebenen Bauteilgeometrie und Materialparameter zu prognostizieren. Die Schaffung eines systemischen Verständnisses für das Prüfverfahren an sich sowie für die Wechselwirkungen und Phänomene im Bauteil während der Prüfung trägt wesentlich zur Zielerreichung bei. Dazu werden fehlerfreie Prüfkörper mit variierten Geometrien und Materialparametern aufgebaut und analysiert. Die aus experimentellen Messungen erhaltenen Ergebnisse validieren den in dieser Arbeit entwickelten mathematischen Ansatz. Es wird gezeigt, dass veränderte geometrische Ausprägungen sowie Variationen in den Materialparametern von faserverstärkten Kunststoffen mithilfe des mathematischen Ansatzes abgebildet werden können.