Versuchsaufbau für die Durchstrahlungsprüfung eines Probekörpers unter Last mittels Computertomograf am Fraunhofer LBF. Foto: Fraunhofer LBF/Raapke

Tiefe Einblicke bis zur Faser

Leichtbau

Computertomograf kann große CFK-Proben auch unter Last prüfen.

Lena Mavie Herkenrath, Fraunhofer LBF Foto: Fraunhofer LBF
Lena Mavie Herkenrath, Fraunhofer LBF Foto: Fraunhofer LBF

Verbundwerkstoffe spielen beim Leichtbau eine tragende Rolle. Den Blick in das Innerste dieser Werkstoffe und ihrer Bauteile gewährt das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF. Die Darmstädter Wissenschaftler haben ein Prüfverfahren entwickelt, bei dem mithilfe eines Computertomografen (CT) auch große Proben unter Last, also im realen Einsatz, geprüft werden können. Der CT wurde speziell für die Röntgen­untersuchung von Kunststoffproben und Leicht­metallen konstruiert.

Für Industrie und Wissenschaft sind in vielen Bereichen zerstörungsfreie Materialprüfungen essenziell. Zum Verständnis von Schadensentstehung und Rissfortschritten im Material während der mechanischen Belastung eines Bauteils ist die Kombination einer mechanischen Prüfmaschine mit einer Computertomografie ein wichtiger Beitrag und dient der Materialcharakterisierung sowie der Beurteilung von Einschlüssen und Schädigungen im Werkstoff auf dessen Festigkeit und Lebensdauer.

Durchleuchten unter einer Last bis zu 250.000 Newton

Die Prüfmethode am Fraunhofer LBF kombiniert in einzigartiger Weise die mechanische Prüfung eines Bauteils unter realistischen Belastungen mit der radiologischen Durchstrahlungsprüfung. „Zu verstehen, wie Schäden im Material eines Bauteils entstehen, während es realistischen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, gehört zu den essenziellen Fragen in der Materialwissenschaft und war bisher so nicht möglich. Durch den Verbleib des geprüften Bauteils in der Röntgenanlage während der mechanischen Belastung kann der exakte Ort im Material während der gesamten Belastungsdauer beobachtet und analysiert werden“, sagt Oliver Schwarzhaupt, beim Fraunhofer LBF verantwortlich für den CT-Prüfstand.

Bei bisherigen Konzepten wurde durch den abwechselnden Ein- und Ausbau der Probe mit zwischenzeitlicher Durchstrahlungsprüfung diese notwendige Genauigkeit von wenigen Mikrometern nie erreicht. Des Weiteren können mögliche Einflüsse des Probenhandlings durch Transport und Umlagerungen nicht ausreichend ausgeschlossen werden. Daher stellt das Fraunhofer-Konzept einen großen Fortschritt in puncto Detailauflösung und Genauigkeit sowie der Wiederauffindbarkeit von möglichen Schadensursprüngen dar. Der Verbleib der Probe an einer festen Position im Strahlengang schließt dabei alle anderen mechanischen Einflussfaktoren auf die Probe aus.

Gekerbter Prüfkörper aus PA6.6 mit Glasfaserverstärkung. Zu sehen ist die Rissausbreitung im Kerbgrund nach 20.000 Belastungszyklen in einer 2D-Darstellung (l.) und in einer 3D-Darstellung (r.). Foto: Fraunhofer LBF
Gekerbter Prüfkörper aus PA6.6 mit Glasfaserverstärkung. Zu sehen ist die Rissausbreitung im Kerbgrund nach 20.000 Belastungszyklen in einer 2D-Darstellung (l.) und in einer 3D-Darstellung (r.). Foto: Fraunhofer LBF
Noch viel Forschungsbedarf bei CFK

Während das Bauteil einer mechanischen dynamischen Lebensdauerbelastung unterzogen wird, können durch die radiologische Untersuchung während dieses Zyklus die Entstehung und der Fortschritt der Schädigung beobachtet und dargestellt werden. Es können dabei die im Bauteil für die Rissentstehung kritischen Stellen erfasst sowie die durch vorherige Simulation und Berechnung vorhergesagten Versagensorte verifiziert werden.

Bei Kräften der Prüfmaschine von bis zu 250 kN können auch hochfeste Bauteile aus kohlen­stofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), wie sie insbesondere im Flugzeugbau Verwendung finden, untersucht werden. Im Verständnis um die Versagensmechanismen im Bereich von CFK gibt es noch viel Untersuchungsbedarf, beispielsweise wann die Ablösung der Verstärkungsfasern von der sie umgebenden Harzmatrix oder das Versagen der Einzelfasern stattfindet.

Typische Prüfszenarien wie Wöhlerversuche oder Gaßner-Versuche sind ebenfalls durchführbar, um realistische Belastungsarten während eines Lebenszyklus abbilden zu können.

Risse und Schäden plastisch darstellen
„Zu verstehen, wie Schäden im Material eines Bauteils entstehen, gehört zu den essenziellen Fragen in der Materialwissenschaft“, Oliver Schwarzhaupt, Fraunhofer LBF Foto: Fraunhofer LBF
„Zu verstehen, wie Schäden im Material eines Bauteils entstehen, gehört zu den essenziellen Fragen in der Materialwissenschaft“, Oliver Schwarzhaupt, Fraunhofer LBF Foto: Fraunhofer LBF

Durch modernste bildgebende Verfahren können Risse und Schäden im Material plastisch und dreidimensional dargestellt werden und eröffnen damit viele Möglichkeiten der Analyse. Der Schädigungsfortschritt innerhalb des Materials lässt sich kontinuierlich von der Entstehung bis zum Versagen beobachten.

Die Röntgenröhre, der Detektor und das Untersuchungsobjekt können in mehreren Achsen gegeneinander verfahren werden, was auch zusätzliche Untersuchungsverfahren wie die Tomosynthese (Laminografie), Helix-CT oder Messfelderweiterungen möglich macht. Durch den Einsatz einer Microfocus-Transmissionsröntgenröhre reicht die Detailauflösung bis unter 1 μm.

Schwarzhaupt erklärt: „Das hohe Auflösungsvermögen der Röntgenanlage erlaubt das Erkennen von feinsten Schäden im Material schon von Beginn der Entstehung an. Es können kleinste Unregelmäßigkeiten im Material als Ort der Schadensentstehung nachgewiesen werden. Insbesondere im Bereich faserverstärkter Kunststoffe kann die Entstehung von Schäden auf Faserebene hin untersucht werden.“

Durch die Beschleunigungsspannung von bis zu 160 kV ist eine Strahlungsdurchdringung von bis zu 300 mm bei Kunststoffen möglich. Sehr kleine Objekte können ebenso durchleuchtet werden wie Objekte, die größer als der Detektor (200 mm × 200 mm) sind – bis zu einer Größe von rund 800 mm × 600 mm.

Das neu entwickelte Konzept kann viel zur Lösung um das Verständnis der Schadensentstehung im Material unter Last beitragen und wertvolle Informationen für Industrie und Wissenschaftler anbieten. Das Wissen um die Versagensursache und den Versagensverlauf dient Materialentwicklern und Herstellern zur Optimierung ihrer Materialien und Herstellungsverfahren.

Oliver Schwarzhaupt und Lena Mavie Herkenrath

 

Aufmacherbild: Fraunhofer LBF/Raapke