Zerstörungsfreie Prüfverfahren

Wie zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Sicherheit in der Luftfahrt beitragen.

11.2015 | Autorin: Monika Weiner

Autorin:
Monika Weiner arbeitet seit 1985 als Wissenschaftsjournalistin. Die Diplom-Geologin interessiert sich vor allem für neue Entwicklungen in Forschung und Technik sowie deren gesellschaftliche Auswirkungen.

Groß, sperrig, schwer? Die Ingenieure im Fürther Fraunhofer Ent­wick­lungs­­zen­trum Rönt­gen­­tech­nik (EZRT) sind den Umgang mit Über­dimen­sionalem gewohnt. In ihrer Hoch­energie-Halle, die mit einem XXL-Computer­tomo­graphen aus­ge­stat­tet ist, untersuchen sie tag­täglich Dinge, die für normale Material­prüfungen min­des­tens eine Nummer zu groß sind: ganze Autos vor und nach dem Crash­test; einen noch halb von Sediment bedeckten T-Rex-Schädel; und jetzt - in einer Mach­bar­keits­studie - sogar zwei Aus­stel­lungs­stücke, einen Stern­flug­motor sowie ein Test­trieb­werk, Leih­gaben aus dem Werks­museum der MTU Aero Engines. Die Bilder sind be­ein­druck­end, nicht nur wegen ihrer Ästhetik. „Schon die 2D-Rönt­gen­auf­nahmen zeigen er­staun­liche Details: Die Auf­lösung ist gut genug, um zu erkennen, ob alle Kom­po­nen­ten ordnungs­gemäß eingebaut wurden“, berichtet Fraunhofer-Forscher Dr. Michael Böhnel. „Noch präzisere In­for­ma­ti­onen liefert die kom­plette, drei­dimen­sio­nale Tomo­graphie: Mit ihrer Hilfe lassen sich bei­spiels­weise die Spalt­maße am fertig montierten Trieb­werk ermitteln.“

Fehlermessung im Zehntelmillimeter-Bereich

„So schön die Aufnahmen sind - für Rou­ti­ne­un­ter­such­ungen bei der Fer­ti­gung oder Instand­haltung ist die XXL-Computer­tomo­graphie leider nicht geeignet“, erklärt Dr. Hans-Uwe Baron, Leiter Zer­störungs­freie Prüf­verfahren bei der MTU Aero Engines. „Wir wollen Defekte ja nicht erst finden, wenn alles schon mon­tiert ist. Zur Zeit ist die Auf­lösung aller­dings noch zu ungenau für die Material­prüfung in der Luft­fahrt­industrie.“ Baron und sein Team arbeiten in anderen Di­men­sio­nen: Die Fehler, nach denen sie suchen, messen nur zehntel Mil­li­meter. Diese kleinen Fehler in großen Bauteilen zu finden, ist die zukünftige Heraus­forder­ung für die For­scher des Fraunhofer EZRT.

Höchste Qualitätsstandards durch höchste Präzision

Winzige Haar­risse oder Mater­ial-Inhomo­geni­täten, die mit bloßem Auge kaum wahr­nehm­bar sind, können in der Luft­fahrt ver­heerende Folgen haben, erklärt Baron: „Wenn Bau­teile versagen, die mit mehreren zehn­tausend Um­drehungen pro Minute rotieren, führt dies unter Um­ständen zur Explo­sion eines Trieb­werks.“

Seit 27 Jahren fahndet der Maschinen­bau­ingenieur nach kleinen und kleinsten Fehlern. Eine ständige Heraus­forderung, denn die Spuren­suche wird immer an­spruchs­­voller: Als er seine Karriere begann, galten Fehler von 0,8 Millimeter noch als tolerabel, heute sind es 0,2 Mil­li­meter. Doch seither ist auch viel passiert - am Himmel wie auf Erden: Flug­zeug­trieb­werke sind dank höherer Dreh­zahlen und leichterer Bau­weisen leistungs­fähiger geworden, gleich­zeitig stehen den Prüfern ganze Arsenale hoch­präziser High­tech-Geräte zur Ver­fügung. In der Pro­duktion und Instand­setzung werden routine­mäßig Rönt­gen-, Ultra­schall- und Thermographie-, Magnetpulver-, Eindring-, Wirbelstrom- und Ätz­prüfungen durch­geführt. Ge­mein­sam ist allen Verfahren, dass sie „zer­störungs­frei“ sind und damit im Material keine Spuren hinter­lassen. Das ist gerade in der Luft­fahrt­industrie enorm wichtig: Zum einen, weil die Bau­teile sehr teuer sind, man möchte sie schon aus rein öko­no­mi­schen Gründen nicht zerstören. Zum anderen reicht es nicht, Stich­proben zu nehmen, sondern alle Bauteile müssen mit den Prüf­ver­fahren durch den Fertigungs­prozess begleitet werden. Nur so lassen sich höchste Qualitäts­standards erreichen.

Diese sind international üblich. Luft­fahrt­orga­ni­sa­tio­nen wie die European Aviation Safety Agency (EASA) definieren exakt, welche Kom­po­nenten wie, wann und von wem unter­sucht werden müssen. Alle Abläufe sind bis ins letzte Detail geregelt – Prüfer verschiedener Levels müssen für die je­weiligen Pro­zesse zertifiziert sein. „Selbst­verständlich erfüllen wir alle gesetz­lichen An­for­der­ungen“, berichtet Baron. „Gleich­­zeitig ver­suchen wir aber auch, die Ab­läufe so effizient wie möglich zu gestalten und gegebenen­falls zu auto­matisieren.“

Zerstörungsfreies Prüfen

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Diagnose bei der Eindringprüfung.

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Diagnose bei der Eindringprüfung.

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Sichtprüfung mit Lupe und OP-Lampe.

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Sichtprüfung mit Lupe und OP-Lampe.

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Thermographieprüfung einer CF6-Laufschaufel.

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Thermographieprüfung einer CF6-Laufschaufel.

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Prüfung von Titanbillets auf einer Ultraschall-Laboranlage mit Phased Array-Technik.

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Prüfung von Titanbillets auf einer Ultraschall-Laboranlage mit Phased Array-Technik.

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Wirbelstromprüfen einer Fan-Disk.

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Wirbelstromprüfen einer Fan-Disk.

Für jede Bauteilklasse das richtige Prüfverfahren

Welche Prüfungen ein Bauteil absolvieren muss, bevor es in der Luft­fahrt ein­gesetzt werden darf, hängt davon ab, welchen po­ten­ziellen Schaden es später einmal an­richten kann. Die Kon­struk­teure unter­teilen die ver­schie­denen Kom­po­nenten eines Trieb­werks in Klasse 1 bis 3 – wobei die erste Klasse die Teile um­fasst, die am ge­fähr­lichsten werden können. Eine Tur­bi­nen­scheibe oder Blisk, die während des Fluges zerreißt, birgt ein hohes Risiko, da abgeplatzte Teile die Trag­flächen oder den Rumpf beschädigen können.

Daher müssen Klasse 1-Teile genauer geprüft werden als alle anderen: In den Hallen bei der MTU stehen Anlagen bereit für Ultra­schall- und Rönt­gen­unter­such­ungen, Ein­dring­stoff- und Wirbel­strom­prüfung. Die Knochen­arbeit machen dabei häufig Roboter: Sie heben schwere Teile, fahren diese zum nächsten Unter­suchungs­schritt oder rastern mit dem Ultra­schall­kopf die Ober­flächen ab. „Das Messen lässt sich auto­mati­sieren, die Aus­wertung der Daten teil­weise auch, aber die Inter­pretation kann nur ein Prüfer vornehmen. Er hat das letzte Wort“, erklärt Baron.

Interaktivität

Zerstörungsfreie Prüfverfahren für die Triebwerksindustrie im Überblick

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Ultra­schall­prüfung
Ein­dring­stoff­prüfung
Ätz­technik
Wirbel­strom­prüfung
Magnet­pulver­prüfung
Sicht­prüfung
Rönt­gen
Rönt­gen CT
Thermo­graphie­prüfung

Ultra­schall­prüfung Ultra­schall­prüfung

Ein­dring­stoff­prüfung Ein­dring­stoff­prüfung

Ätz­technik Ätz­technik

Wirbel­strom­prüfung Wirbel­strom­prüfung

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Magnet­pulver­prüfung Magnet­pulver­prüfung

Sicht­prüfung Sicht­prüfung

Rönt­gen Rönt­gen

Rönt­gen CT Rönt­gen CT

Thermo­graphie­prüfung Thermo­graphie­prüfung

Mit Hilfe von Schall­­wellen werden Fremd­­körper­­ein­schlüsse, Poren und Risse sichtbar: Weil die Aus­brei­tung der Schall­­wellen von der Dichte des Materials abhängt, lässt sich anhand der Signale, die den Werkstoff durchlaufen haben, feststellen, ob er homogen ist.

Fluores­zierender Farbstoff macht Ober­flächen­poren und Risse sichtbar: Bauteile werden nach­einander in farbpigment­haltiges Öl getaucht, herausgehoben, gereinigt, mit Entwickler eingesprüht, und mit UV-Licht beleuchtet.

Oberflächen werden chemisch angeätzt. Die optischen Veränder­ungen, die dabei auftreten, sind material­abhängig.

Durch Induktionsänderungen eines elektrischen Feldes werden Inhomogenitäten sichtbar.

Magnetische Partikel zeigen Störungen im Magnetfeld an: Wird ein metallisches Bauteil magnetisiert, so richten sich die Partikel parallel der Feldlinien aus. Risse im Bauteil stören die Homogenität des Feldes – die Partikel machen dies sichtbar.

Prüfer inspiziert Bauteile.

Durchstrahlung der Bauteile ermöglicht zweidimensionale Aufnahmen. Fehler im Inneren der Bauteile werden so sichtbar.

Bauteile werden in einem Röntgenscanner gedreht und die Strahlung nach dem Durchgang detektiert. Die Summe der Aufnahmen ergibt ein 3D-Bild. Die dreidimensionalen Aufnahmen erlauben einen Blick ins Innere der Bauteile und machen winzige Defekte, wie sie zum Beispiel beim Bohren von Kühlkanälen in den Turbinenschaufeln auftreten können, sichtbar.

Messung der Wärme, die sich in einem Bauteil ausbreitet: Erzeugt wird diese durch zwei Blitzlampen, die das Bauteil bestrahlen. Eine Kamera detektiert, wie viel Wärme ab­fließt. Unregelmäßigkeiten im Wärmeabfluss deuten auf schlechte Verbindung zwischen Bauteil und Beschichtung hin.

Auflösung ab 0,4 mm, Prüftiefe bis 20 cm.

Fehler ab 0,2 mm nachweisbar.

Auflösung ab 0,2 mm.

Auflösung ab 0,2 mm.

Auflösung 0,2 mm.

Auflösung ohne Lupe ab 0,2 mm.

Auflösung ab 0,2 mm, wandstärkenabhängig.

Auflösung ab 0,1 mm, wandstärkenabhängig.

Auflösung ab 0,5 mm, abhängig vom Abstand zur Oberfläche.

Untersuchung der Fehlerfreiheit des Grundwerkstoffs.

Rissprüfung.

Aufspürung von chemischen Inhomogenitäten.

Rissprüfung.

Untersuchung von magnetisierbaren Stahlbauteilen.

Prüfung aller Bauteile.

Aufspürung von Fremdkörpereinschlüssen und Poren.

Messung von Wandstärken und Innen-Geometrien, z. B. Rückwand-Anbohrungen, die beim Laserbohren auftreten können.

Prüfung der Verbindung zwischen Metall und Keramik. Noch relativ neues Verfahren.

Scheiben und Blisks der Bauteilklasse 1.

Alle Bauteilklassen.

Scheiben und Blisks der Bauteilklasse 1.

Bohrungen in Scheiben und Gehäusen der Bauteilklassen 1 und 2.

Alle magnetisierbaren Bauteile. Speziell eingesetzt in der Instandhaltung älterer Triebwerke mit Stahlkomponenten aller Bauteilklassen.

Alle Bauteilklassen.

Guss-Bauteile, Schweißnähte, Turbinenschaufeln mit Kühlkanälen der Bauteilklassen 1 und 2.

Turbinenschaufeln mit Kühlkanälen und Verbundwerkstoffe der Bauteilklassen 1 und 2.

Wärmedämmschichten auf Gehäusen und Turbinenschaufeln sowie Einlaufbeläge der Bauteilklassen 1 und 2.

Direktvergleich aller Prüfverfahren hier ansehen.

Die Auflagen für die zweite Bau­teil­klasse, zu der Turbinen­schaufeln und Gehäuse gehören, sind nicht ganz so streng. Routine­mäßig durch­laufen die Bau­teile Ein­dring­stoff- und Rönt­gen-Prü­fung und teil­weise sogar die Rönt­gen-Com­puter­tomo­graphie. Letztere konnten die Ingenieure in den letzten Jahren weit­gehend auto­mati­sieren: Ein Roboter trans­portiert die Bauteile ins Innere der Rönt­gen­kammer und sortiert am Ende alle aus, die von der Norm ab­weich­en. Der Prüfer muss nur noch diese in­spi­zieren. In einem weiteren Schritt werden Turbinen­schaufeln thermo­gra­phisch unter­sucht. Dieses noch relativ neue Ver­fahren zeigt, ob die Keramik­beschich­tungen optimal haften und ob die Kühl­kanäle offen sind.

Zur dritten Klasse gehören Ver­blend­ungen, Ver­schlüsse und Be­festi­gungen, die nicht sicher­heits­rele­vant sind und die im Zweifels­fall bei jedem Rou­tine-Check aus­ge­tauscht werden können. Für diese Bau­teile genügt eine Ein­dring­stoff­prüf­ung und eine klas­sische Sicht­prüfung – der müssen sich übrigens auch sämtliche Bau­teile der Klassen zwei und drei unter­ziehen. Die Sicht­prüfung ist das einzige Ver­fahren, das bisher nicht stan­dardisiert wurde, weil die Durch­führung ab­hängig ist von der Person des Prüfers. „Hier erwarten wir in Zu­kunft die meisten Inno­vationen, etwa durch digitale Prüf­pläne, die die Pro­zesse vorgeben und bei der Doku­mentation helfen“, erläutert Baron. Die Industrie 4.0 habe auch hier begonnen. Doch eine radikale Auto­mati­sierung und Opti­mierung, wie sie bei­spiels­weise in der Auto­mobil­branche üblich sei, werde es wegen der hohen An­forder­ungen in der Luft­fahrt­industrie so bald nicht geben.

Durchblick In der Medizin und in der Materialprüfung werden ähnliche bildgebende Verfahren genutzt: Röntgen, Ultraschall und Computertomographie beispielsweise. Die Bilder eines Strahltriebwerks und eines Sternflugmotors mit neun Zylindern, beides Leihgaben des MTU-Museums, wurden im XXL-Computertomographen am Fraunhofer-Entwicklungszentrum Röntgentechnik erstellt. Die Position der Bauteile ist darauf exakt zu erkennen.

Fehlerfreiheit? Nur eine Frage des Blickwinkels

Wie es weitergeht? „Der Trend zu immer geringeren Fehlertoleranzen dauert an“, weiß Baron. Gleichzeitig schreite die Automati­sierung voran. Immer genauer, immer schneller. Dipl.-Ing. Steffen Bessert vom Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) beschreibt den Stand der Forschung: „Die Entwicklung geht derzeit in Richtung Thermo­graphie mit aktiver Anregung, weil diese berühr­ungslos ist und automa­tisierbar. Kleinste Fehler werden auch zunehmend mit CT aufgespürt, die man immer mehr mit CAD-Konstruktions­zeichnungen korreliert. So können Prüfer und Konstrukteure in Zukunft Fehler noch genauer lokalisieren und zuordnen.“

Bis es irgendwann keine Fehler mehr gibt? „Hundertprozentige Fehlerfreiheit lässt sich aus technischen Gründen wohl leider nie erreichen“, weiß Baron. „Doch die Möglichkeit des zuverlässigen Nachweises immer kleinerer Fehler wird weiter zunehmen.“

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