Automatisierte zerstörungsfreie Qualitätssicherung
EBNER.blog | Rainer Edtmeier, HPI, Österreich
Automatisierte zerstörungsfreie Qualitätssicherung.
HPI liefert verschiedenste Lösungen im Bereich der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.
Die ständige Steigerung der Sicherheitsanforderung im Flugzeugbau führt auch zur kontinuierlichen Verbesserung der Qualitätssicherung. Diese durchaus kostspieligen Kontrollen lassen sich mit Hilfe von automatisierten Messverfahren beschleunigen und lückenlos dokumentieren.
Besonders die Methoden der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung kommen hierbei zur Anwendung. Dazu gehört die Leitfähigkeitsprüfung welche bei unserem Kunden KUMZ im Einsatz ist und Ende November 2019 erfolgreich abgenommen wurde.
Leitfähigkeitsprüfung
Die Leitfähigkeit (häufig auch als Konduktivität bezeichnet) ist eine physikalische Größe, welche die Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten widerspiegelt. Dabei ist die Leitfähigkeit die Proportionalitätskonstante zwischen der Stromdichte und der elektrischen Feldstärke. Als Formelzeichen wird sehr häufig der griechische Kleinbuchstabe „sigma“ verwendet. Der Leitwert selbst wird häufig in der von den SI-Einheiten abgeleiteten Siemens pro Meter (S/m) also A/(Vm) angegeben. Da Aluminiumlegierungen eine sehr gute Leitfähigkeit besitzen, wird bei allen typischen Anwendungen der Wertebereich MS/m verwendet. Eine weitere Möglichkeit der Wertangabe ist die Verwendung des internationalen Kupferstandards. Hier erfolgt die Angabe als Prozentwert der Leitfähigkeit von reinem, wärmebehandelten Kupfer. Daher die Bezeichnung Prozent des International Annealed Copper Standards oder in der Kurzschreibweise: %IACS.
Bei der Leitfähigkeitsmessung mittels Wirbelstrom wird mithilfe einer Spule ein wechselndes Magnetfeld erzeugt, welches in das zu untersuchende Material eine Spannung induziert. Abhängig von der spezifischen Leitfähigkeit dieses Materials prägen sich Wirbelströme im Material aus, welche wiederum ein Magnetfeld aufbauen. Dieses Magnetfeld wirkt gemäß der Lenzschen Regel dem Senderfeld entgegen und wird mit einer zweiten Spule gemessen. Zur Beurteilung der Leitfähigkeit sind hier die Amplitude und die Phasenlage des empfangenen Signals wichtig. Aufgrund des Skin Effekts prägen sich die Wirbelströme in oberflächennahen Schichten aus; je höherfrequent das Magnetfeld desto geringer wird die Eindringtiefe in das Material.
Bei Anwendung des Wirbelstromprüfverfahrens handelt es sich um eine schnelle vergleichende Messmethode. Somit erfolgt eine Gegenüberstellung von Referenzstandards mit dem Prüfmaterial, um zum Beispiel eine erfolgreiche Wärmebehandlung, Mikrostruktur und Legierungszusammensetzung zu gewährleisten. Ein Rollgang bewegt die Aluminiumplatte durch eine feststehende Messeinheit, in welcher die spezifischen Leitfähigkeitswerte durch oszillierende Sonden an der Plattenoberseite und Unterseite gemessen werden.
Die Messprogramme können für jede Platte vordefiniert werden und nehmen Bezug auf die international anerkannten Standards ASTME 1004-02, MIL STD-1537C, EN2004-1 und AMS 2772F, sowie auf kundenspezifische Prüfvorschriften der Luftfahrtindustrie. Bei Laboranwendungen ist es relativ einfach, physikalisch bedingte Einflussgrößen wie den Lift-Off-Effekt, Edge Effekt und Temperatureinfluss bei der Messung unter Kontrolle zu halten. Bei einer industriellen Anwendung unter rauen Bedingungen wird dies zu einer höchst anspruchsvollen Aufgabe.
Geometrievermessung
Auf einem 35 m langen und präzise ausgerichteten Messtisch erfolgt die berührungslose Vermessung von Platten mittels Lasertriangulation. Hierzu sammelt und verarbeitet eine Hochgeschwindigkeitssteuerung die Daten bei der Fahrt des Messportales über die Platte. Neben der Länge und Breite lässt sich auch die Ebenheit sowie die Rechtwinkligkeit bestimmen und dem Bedienpersonal an der Benutzerschnittstelle visualisieren. Zusätzlich ermitteln mechanische Messfühler an verschiedenen, freiwählbaren Positionen die Plattendicke in Abhängigkeit der Temperatur.
Plattenbeschriftung
Nach der Leitfähigkeitsmessung wird die Platte durch ein Beschriftungsportal befördert. Hier beschriften Tintenstrahlköpfe die Oberseite der Platte gemäß den beiden in der Norm ASTM B-666, beziehungsweise ASTM B-666 M-01 vorgesehenen Varianten. Bei Plattenbreiten bis zu 2000 mm wird in Zeilen mit einem Abstand von 150 mm der gewünschte Text aufgedruckt. Bei Platten mit einer Breite über 2000 mm wird zweizeilig der Umfang bedruckt. Am Ende der Anlage ist ein Nadelsigniergerät installiert, das je nach Plattendicke die Oberseite oder die Stirnseite mit einem vorgewählten Text signiert. Dieser Text kann je nach Vorschrift durch eine Kombination aus Plattenidentifikationsnummer, Datum und anderen Merkmalen generiert werden.
Datenverarbeitung und Dokumentation
Von einem übergeordneten Level 3 System (Manufacturing Execution System (MES)) werden alle benötigten Grunddaten wie die eindeutige Plattenidentifikationsnummer und die einzuhaltenden Prüfvorschriften an die Anlage geschickt. Im Gegenzug werden alle Informationen beginnend mit den Messdaten, Kalibrierdaten bis hin zu den Beschriftungsoptionen der Tintenstrahlmarkierung und Nadelmarkierung auf dem Bedienfeld dargestellt, gespeichert und an das Level 3 System übergeben. Nur so ist eine lückenlose Dokumentation der Prüfung gewährleistet.