Determination of the transmitted air ultrasound when testing continuous fiber-reinforced plastics

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.Rising customer requirements lead to an increasingly varied product design. The individual components must meet the constantly growing requirements and are therefore becoming increasingly complex. The use of multi-material components, for example made of fiber-reinforced plastics, promises to meet high mechanical requirements while keeping weight down. However, the multi-material structure leads to increasing material and production costs, which is why the prevention of rejects is of major importance. This development demands an increased use of non-destructive and in-process testing methods to ensure component quality. With the air ultrasound examination in transmission, a non-destructive testing method has developed in the past years, which is increasingly used in industrial applications for testing multi-material components with geometrically complex shapes. The probes operate without contact and the application of a coupling medium is not necessary. The measuring signal of the air ultrasonic examination in transmission shows strong dependencies on the component geometry, the material parameters and occurring defects. The influence of the component geometry and the material parameters on the measurement signal can be predicted and compensated for by including design and simulation data, so that actual defects can be clearly identified by the change in the measurement signal. However, the degree of influence of the measurement signal by the component geometry and the material parameters is difficult to determine for multi-material components and, in particular, is not yet known for fiber-reinforced plastics, which is why air ultrasonic examination cannot yet be used with sufficient quality for in-process quality assurance. Against this background, the present work aims to use a mathematical approach to predict the measurement signal based on the given component geometry and material parameters. The creation of a systemic understanding for the test procedure itself as well as the interactions and phenomena in the component during the test contribute significantly to the achievement of the objective. For this purpose, defect-free test specimens with varied geometries and material parameters are built and analyzed. The results obtained from experimental measurements validate the mathematical approach developed in this thesis. It is shown that modified geometric specifications as well as variations in the material parameters of fiber-reinforced plastics can be reproduced using the mathematical approach