Digitale Zwillinge zur zerstörungsfreien Bewertung von Verbundwerkstoffen mit Ultraschall

Simulation einer zerstörungsfreien Prüfung mittels Ultraschallwellen.

Technologien

• Zerstörungsfreie Prüfung
• Simulation
• Überwachung des strukturellen Zustands
• Faserverbundmaterialien
• Luft- und Raumfahrt

Ausgangslage

In der sich ständig weiterentwickelnden Welt der Luft- und Raumfahrtanwendungen prägt die Nachfrage nach starken, zuverlässigen und leichten Materialien weiterhin die Design- und Qualitätssicherungsprozesse. Darüber hinaus hat der steigende Bedarf an langen Lebensdauern und wiederverwendbaren Komponenten die Entwicklung von laminierten kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen vorangetrieben. Diese hochmodernen Verbundwerkstoffe besitzen einzigartige elastische Eigenschaften und spezifische Versagensmodi, wie z. B. Delamination, die herkömmliche zerstörungsfreie Ultraschallprüftechniken in Bezug auf Zeit und Empfindlichkeit vor Herausforderungen stellen.

Jüngste Fortschritte in der seismischen Wellenanalyse, insbesondere die Technik, die als vollständige Wellenforminversion bekannt ist, sind zum Goldstandard für die Erstellung hochauflösender quantitativer Bilder des Untergrunds geworden. Die potenzielle Anwendung dieser Methode auf die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung ist jedoch weitgehend unerforscht geblieben, vor allem aufgrund von rechnerischen Beschränkungen. Mit dem jüngsten Anstieg der Cloud-Computing-Fähigkeiten haben wir nun die Möglichkeit, diesen innovativen Ansatz zu nutzen, um bestimmte Arten von Schäden oder Fehlern mit höherer Empfindlichkeit und Spezifität als je zuvor zu erkennen. Insbesondere die Ultraschall-Computertomographie hat im Bereich der biomedizinischen Bildgebung, insbesondere bei der Brustkrebsvorsorge, bereits an Bedeutung gewonnen.

Als Voraussetzung für dieses spannende Unterfangen zielt unser Projekt darauf ab, Ultraschallprüfdaten für Proben aus laminiertem Verbundwerkstoff zu sammeln und digitale Zwillinge für die weitere Analyse zu erstellen. Konkret ist es unser Ziel, einen Proof-of-Concept zu erstellen, indem wir ein Benchmark-Exemplar aus der Literatur replizieren, mehrere Ultraschallmessungen durchführen und die gewonnenen Daten durch numerische Simulationen validieren.

Ziele

Der Erfolg dieses Projekts wird unschätzbare Erkenntnisse über die Machbarkeit dieser neuartigen Scantechnik liefern. Mondaic plant, diese Technologie in Zusammenarbeit mit unseren Forschungspartnern weiterzuentwickeln und innerhalb der nächsten drei Jahre auf den Markt zu bringen. Diese bahnbrechende Forschung wird nicht nur die Empfindlichkeit von Ultraschalluntersuchungen gegenüber Delamination bewerten, sondern auch die Reproduzierbarkeit der Daten in numerischen Simulationen validieren. Die kalibrierten digitalen Zwillinge, die wir erstellen, werden von unschätzbarem Wert sein, um die Bildgebungssoftware von Mondaic auf die spezifischen Versagensmodi von Verbundwerkstoffen abzustimmen, realistische Trainingsdaten für Anwendungen des maschinellen Lernens zu generieren und die Forschung voranzutreiben, um die Empfindlichkeit und Spezifität des Rekonstruktionsalgorithmus zu verbessern.

Darüber hinaus werden die erfassten Daten es uns ermöglichen, ein erstes Erfassungsprotokoll zu entwerfen und die Wandlergeometrie zu optimieren, was für genauere Kostenschätzungen für die erforderliche Scan-Hardware und die erforderlichen Rechenressourcen unerlässlich ist.

Ergebnisse

Unsere Reise in den Bereich der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung von Verbundwerkstoffen verspricht bahnbrechende Fortschritte auf diesem Gebiet. Hier ist ein Überblick über unsere Fortschritte:

1) Herstellung der Probe

Für diese Machbarkeitsstudie haben wir ein Exemplar mit einem ähnlichen Aufbau wie in der vorhandenen Literatur hergestellt. Die Platte misst 270 mm x 270 mm und besteht aus einem Querlagenaufbau von [02/902]s mit 8 Lagen HexPly® 8552/AS4. Ein 30 mm x 30 mm großes Teflonpflaster wurde in die linke Hälfte der Platte zwischen den Lagen 90 und 0 eingelegt, oder wir verwenden ein Schlaggerät, das in der nächsten Abbildung gezeigt wird.

2) Laborexperimente mit Ultraschall

Unsere Experimente fanden im WaveLab statt, das von der Gruppe Exploration und Umweltgeophysik der ETH Zürich betrieben wird. Wir haben umfangreiche Massnahmen ergriffen, um genaue Messungen zu gewährleisten, einschließlich der Klemmkanten zur Minimierung von Reflexionen und der Verwendung  eines robotergestützten 3D-Scanning-Laser-Doppler-Vibrometers für präzise Messungen. Es wurden mehrere Emitter getestet, und wir stellten fest, dass eine dominante Frequenz von 100 kHz das beste Signal-Rausch-Verhältnis bot. Ausserdem verwenden wir konventionelle Ultraschallgeräte, die an der FHNW zur Verfügung stehen, um die Messungen zu vergleichen.

3) Modellierung des digitalen Zwillings

Um den Versuchsaufbau synthetisch nachzubauen, haben wir die Software Salvus von Mondaic eingesetzt. Der Rechenbereich wurde in hexaedrische finite Elemente unterteilt, wobei der Zeitschritt so gewählt wurde, dass er die Courant-Friedrichs-Lewy-Bedingung erfüllt. Wir haben uns für eine Vernetzungsstrategie entschieden, die die effektiven Eigenschaften des Mediums erfasst und so die Rechenkosten reduziert. Materialeigenschaften, Quelleneigenschaften und Simulationsergebnisse werden detailliert dargestellt.

4) Zusammenfassung und Ausblick

Diese erste Machbarkeitsstudie markiert den Beginn einer spannenden Reise hin zu einer fortschrittlicheren zerstörungsfreien Ultraschallprüfung und wird in einem laufenden, von der Innosuisse unterstützten finanzierten Projekt weiterentwickelt. Der kalibrierte digitale Zwilling, den wir erstellt haben, öffnet die Tür zu zahlreichen potenziellen Studien, einschließlich Sensitivitätsanalysen, optimalem Versuchsdesign und Parameterschätzung. Diese Forschungsansätze werden uns helfen, diese Technologie in die Praxis umzusetzen und den Weg für einen fortschrittlicheren und effizienteren Ansatz für die zerstörungsfreie Prüfung zu ebnen.