Werkstattgerechte Schadensanalyse in CFK-Strukturbauteilen mit optisch georteter Ultraschallmesstechnik

Diese Dissertation behandelt die Konzeptionierung und experimentellen Validierung eines optisch georteten Ultraschallmesssystems, beruhend auf neuartigen Algorithmen zur modellbasierten Auswertung von 3D-rekonstruierten Ultraschallmessdaten und einer umfassenden Quantifizierung der hardware-, software- und prozessseitigen Einflussfaktoren auf die Messunsicherheit, welche sich durch Parameteroptimierung und Hinzunahme von Oberflächenmessdaten für den Praxiseinsatz hinreichend reduzieren lässt.

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. CFK werden 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 dieser Schäden. Diese Dissertation adressiert dieses Defizit mittels der Konzeptionierung und experimentellen Validierung eines optisch georteten Ultraschallmesssystems, charakterisiert durch eine neuartige Kombination und Echtzeit-Synchronisierung eines Phased-Array-Ultraschallmesssystems mit einem kamerabasierten Ortungssystem. Die Methodik zur Auswertung der Messdaten basiert auf einer Modellierung der Schallintensitätsverteilung, neuartigen Verfahren der Peak-Detektion sowie der 3D-Rekonstruktion der Ultraschallmessdaten. Gefolgt von einer Analyse der Einflussfaktoren auf den Messprozess erfolgt die Messunsicherheitsanalyse in drei Schritten mit jeweils spezifisch konzeptionierten Versuchsaufbauten. Die Messunsicherheitsanalyse des optischen Ortungssystems erfolgt anhand von Referenz-Streckenmessungen eines Koordinatenmessgerätes und einer Variation der Grenzen des Parameterraums. Die Einflüsse des Phased-Array-Ultraschallmesssystems werden mittels eines Versuchsaufbaus mit einer Linearachsverfahreinheit und in Tauchtechnik analysiert. Zur Optimierung der softwareseitigen Einstellparameter werden Ultraschallmessung und optische Ortung im Verbund erprobt. Der Erkenntnisgewinn beruht auf neuartigen Algorithmen zur modellbasierten Auswertung der 3D-rekonstruierten Ultraschallmessdaten sowie der erstmalig realisierten und den Gesamtprozess 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- und optisch erfassten Oberflächenmessdaten für den Praxiseinsatz zu reduzieren.