Zakopane2005, BIOMATERIAŁY, magisterka
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Jedenaste Seminarium
NIENISZCZĄCE BADANIA MATERIAŁÓW
Zakopane, 8-11 marca 2005
Ultradźwiękowe badania konstrukcji kompozytowych
w przemyśle lotniczym
Sławomir Mackiewicz, Grzegorz Góra
IPPT PAN, PZL Świdnik S.A.
1. Wstęp
Wzrastające wykorzystanie materiałów kompozytowych w przemyśle lotniczym
wynika z faktu, że pod wieloma względami przewyższają one tradycyjne materiały
konstrukcyjne takie jak stopy aluminium. Podstawowe znaczenie ma tutaj fakt, że wysokie
parametry wytrzymałościowe tych materiałów idą w parze z ich małą gęstością a w
konsekwencji małą wagą wytwarzanych z nich elementów konstrukcyjnych. Zmniejszona
masa własna samolotu pozwala z kolei na zwiększenie jego ładowności lub zasięgu dając
wymierne korzyści ekonomiczne. Dodatkowymi zaletami materiałów kompozytowych w
stosunku do duraluminium są także większa odporność na korozję i zmęczenie oraz
możliwość wytwarzania dużych monolitycznych części o złożonym kształcie.
Wprowadzanie elementów kompozytowych do konstrukcji samolotów i helikopterów
następowało stopniowo, począwszy od lat 60-tych ubiegłego stulecia i wiązało się z
opracowywaniem nowych, coraz doskonalszych materiałów kompozytowych. Początkowe
zastosowania wiązały się z wykorzystaniem kompozytów wzmacnianych włóknem szklanym
następnie wprowadzono znacznie wytrzymalsze i sztywniejsze kompozyty wytwarzane na
bazie włókien węglowych i aramidowych.
W latach 70-tych rozpoczęto produkcję pierwszych, całkowicie kompozytowych łopat
do śmigłowców zaś w latach 80-tych zapoczątkowano stosowanie materiałów
kompozytowych do budowy odpowiedzialnych elementów konstrukcyjnych dużych
samolotów pasażerskich (np. stateczniki poziome samolotu Boening 737-200) oraz
wojskowych (struktura płatowca bombowca B-2).
Począwszy od tego czasu liczba elementów konstrukcyjnych samolotu wytwarzanych
z różnego typu materiałów kompozytowych stale wzrastała osiągając w chwili obecnej bardzo
znaczący udział w całkowitej masie współczesnego samolotu. Przykładowo w najnowszym
„superjumbo” Airbus A-380 materiały kompozytowe stanowią ok. 25% całkowitej masy
własnej samolotu (bez paliwa i ładunku) wynoszącej ok. 240 ton. Obliczono, że dzięki
zastosowaniu materiałów kompozytowych masa tego samolotu została zredukowana o ok. 15
ton co odpowiada możliwości zabrania na pokład dodatkowych 150 pasażerów lub
odpowiednio zwiększonej ilości paliwa bądź ładunku. W samolocie A-380 z wysokiej jakości
kompozytów węglowych wykonano między innymi tak odpowiedzialne elementy jak: 12
tonowy centropłat, kilkumetrowej średnicy tylną przegrodę ciśnieniową, pionowy i poziomy
statecznik wraz ze sterami kierunku i wysokości a także gondole silników oraz liczne
elementy konstrukcyjne skrzydeł i kadłuba [1].
Jednym z istotnych aspektów wzrastającego wykorzystania kompozytów do
wytwarzania coraz to bardziej odpowiedzialnych części lotniczych jest zapotrzebowanie na
specjalistyczne techniki badań nieniszczących umożliwiające ocenę struktury wewnętrznej
tych materiałów. Dotyczy to zarówno produkcyjnej kontroli jakości na etapie wytwarzania
poszczególnych części i podzespołów jak też badań eksploatacyjnych wykonywanych na
samolotach w czasie rutynowych przeglądów lub po sytuacjach awaryjnych. Rola badań
nieniszczących w omawianej dziedzinie jest szczególnie odpowiedzialna również z powodu
niskich wartości współczynników bezpieczeństwa stosowanych przy projektowaniu
kompozytowych konstrukcji lotniczych [2].
W dalszej części artykułu omówiono metody badań nieniszczących stosowane do
kontroli wyrobów kompozytowych. Przed tym jednak przedstawiono podstawowe informacje
na temat technologii wytwarzania podzespołów kompozytowych, które są obecnie stosowane
w przemyśle lotniczym.
2. Technologia produkcji kompozytów
Kompozytem nazywamy materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów o
różnych własnościach fizyko-chemicznych, którego własności są lepsze (lub inne) w stosunku
do zastosowanych komponentów. W niniejszym rozdziale opisano podstawy technologii
wytwarzania kompozytów polimerowych, które są stosowane w przemyśle lotniczym.
Elementy kompozytowe mogą mieć formę laminatów, konstrukcji przekładkowych z
wypełniaczem komórkowym (struktury typu plastra miodu) lub też konstrukcji hybrydowych.
Kompozyt polimerowy składa się z żywicy bazowej (epoksydowej, poliestrowej lub
fenolowej) stanowiącej osnowę oraz włókien wzmacniających (szklanych, węglowych lub
aramidowych) nadających kompozytowi wytrzymałość i sztywność.
W chwili obecnej do produkcji kompozytów polimerowych w PZL Świdnik stosuje się
techniki bazujące na dwóch zasadniczych metodach: metodzie „na mokro” oraz metodzie „na
sucho”. Ich głównym wyróżnikiem jest sposób tworzenia materiału kompozytowego, z
którego wykonany jest dany zespół. W metodzie „na mokro” włókniste zbrojenie kompozytu
sycone jest żywicą tuż przed lub w trakcie procesu układania kolejnych warstw w foremniku.
Metoda „na sucho” wykorzystuje tzw. prepregi, czyli cienkie warstwy wstępnie
zaimpregnowanego włóknistego zbrojenia (z włókna węglowego lub szklanego) z częściowo
utwardzoną żywicą bazową. Formowanie zespołu ogranicza się tutaj do odpowiedniego
nakładania na siebie kolejnych warstw prepregu.
Ze względu na dużą pracochłonność i słabą powtarzalność metoda „na mokro” nadaje
się do produkcji jednostkowej oraz do realizacji napraw gotowych zespołów kompozytowych.
Produkcja masowa realizowana jest w procesie technologicznym opartym na wykorzystaniu
prepregów. Dalsza część niniejszego rozdziału poświęcona jest szerszemu opisowi w/w
procesu.
Ogólny schemat procesu wytwarzania części kompozytowych w ramach technologii
prepregowej przedstawiono na rys.1. Prepregi przechowywane są w zamrażarkach, w
temperaturze ok. –18
0
C, w której tempo procesu samoistnej polimeryzacji żywic bazowych
jest minimalne.
Prepregi zamrożone do temp –18
0
C wykazują dużą sztywność uniemożliwiającą
formowanie z nich wymaganego kształtu. Dodatkowo, niska temperatura własna materiału w
połączeniu ze stosunkowo wysoką temperaturą powietrza w otoczeniu powodowałaby
niepożądany efekt kondensacji pary wodnej na ich powierzchni. Celem uniknięcia w/w
zjawisk prepregi poddawane są powolnemu rozmrażaniu do temperatury otoczenia w czasie
od 24 do 48 godzin.
CLEAN RO CLE CLEAN
Przechowywanie
prepregów /-18 [ºC]/
Rozmrażanie rolek
prepregu
Przechowywanie
prepregów /+4 [ºC]/
Cięcie
formatek/warstw
prepregu
Laserowy system
pozycjonowania -
układanie/formowanie
zespołu
Autoklaw - proces
polimeryzacji
Kontrola końcowa
zespołu
kompozytowego
Obrabiarka
wieloosiowa - obróbka
mechaniczna
Obróbka
lakiernicza
Badania nieniszczące
Rys.1. Schemat procesu produkcyjnego kompozytów w technologii prepregowej.
Prepregi przechowywane są w zamrażarkach w formie hermetycznie zapakowanych
rolek. Celem przygotowania do procesu formowania prepreg musi zostać pocięty na
formatki/warstwy, z których będzie układany późniejszy zespół. Czynność tą w sposób
automatyczny wykonuje ploter wg danych projektowych zawartych w oprogramowaniu.
Pocięte formatki mogą być przekazywane bezpośrednio do procesu formowania lub
też czasowo zmagazynowane w zespole lodówek zapewniających temperaturę składowania
ok. +4
0
C. W takich warunkach proces samoistnej polimeryzacji żywic bazowych postępuje
szybciej niż ma to miejsce w temp –18
0
C, jednak zapewniona jest możliwość szybkiego
wprowadzenia formatek do produkcji z uwagi na skrócenie czasu rozmrażania.
Formowanie zespołu przeprowadzane jest w specjalnym klimatyzowanym
pomieszczeniu tzw.
‘Clean room’
, w którym zapewnione są odpowiednie parametry
CLEAN ROOM
wilgotności, temperatury i zapylenia jak również utrzymywane jest pewne nadciśnienie w
stosunku do warunków zewnętrznych.
Proces formowania zespołu kompozytowego składa się z następujących etapów:
A/ Przygotowanie foremnika (na zewnątrz
„Clean room”
) polegające na oczyszczeniu
jego powierzchni oraz nałożeniu na nią powłoki oddzielającej zapewniającej łatwe wyjęcie
zespołu z foremnika po zakończonej polimeryzacji;
B/ Ustawienie foremnika na stanowisku roboczym w „Clean room” w pozycji
dokładnie skorelowanej z laserowym systemem pozycjonowania układanych warstw. System
ten umieszczony jest pod sufitem pomieszczenia a jego działanie polega na wyświetlaniu na
foremniku konturów miejsc, w których powinny być układane kolejne formatki;
C/ Układanie na foremniku (w ściśle określonej sekwencji) kolejnych warstw
prepregu, wypełniacza komórkowego, kleju, blaszanych wzmocnień itp.
D/ Założenie na foremnik hermetycznej przepony oraz sprawdzenie metodą
podciśnienia szczelności układu.
Foremnik z ułożonym zespołem kompozytowym umieszczany jest w autoklawie czyli
hermetycznie zamykanej komorze ciśnieniowej umożliwiającej prowadzenie procesu
polimeryzacji w warunkach podwyższonego ciśnienia i temperatury. W autoklawie foremnik
podłączany jest do układu podciśnieniowego, który usuwa powietrze spod przepony
zapewniając dokładne przyleganie ułożonych pod nią warstw. Przeprowadzany jest cykl
ciśnieniowo-temperaturowy autoklawu, w wyniku którego dokonuje się proces ostatecznej
polimeryzacji (utwardzenia) żywic bazowych prepregu. Typowe temperatury procesu
polimeryzacji leżą w zakresie 120 – 180 ºC, zaś ciśnienie wynosi ok. 0,3 MPa.
Docelowy kształt i wymiary wytwarzanych elementów uzyskiwane są za pomocą
wieloosiowego centrum obróbczego dysponującego podciśnieniowym systemem mocowania
obrabianego zespołu.
Końcowymi etapami procesu technologicznego są badania nieniszczące, obróbka
wykańczająca powierzchni wraz z nanoszeniem gruntu pod powłokę lakierniczą oraz kontrola
końcowa polegająca na
sprawdzeniu kompletnego zespołu oraz dokumentacji potwierdzającej
proces jego wykonania.
3. Metody badań nieniszczących kompozytów
Tap test
Najstarszą metodą stosowaną do kontroli jakości wyrobów kompozytowych jest tzw.
tap test
polegający na opukiwaniu kompozytu specjalnym młoteczkiem i wysłuchiwaniu
uzyskiwanego odgłosu. Na podstawie wysokości uzyskiwanego dźwięku doświadczony
badacz potrafi wykryć obszary niedoklejeń lub rozwarstwień znajdujące się pod opukiwaną
powierzchnią. Zaletą tej metody badań jest jej prostota a także stosunkowo duża skuteczność
w wykrywaniu wad znajdujących się blisko powierzchni. Podstawową jej wadą jest natomiast
brak obiektywnej rejestracji wyników badania oraz duży stopień subiektywizmu oceny.
Ponadto technika ta nie nadaje się do wykrywania wad typu porowatości zaś jej czułość
wyraźnie spada ze wzrostem głębokości wad pod opukiwaną powierzchnią.
Metody rezonansowe
Drugą chronologicznie grupę technik jakie stosowano do wykrywania wad w
strukturach kompozytowych stanowią ultradźwiękowe techniki rezonansowe bazujące na
pomiarze drgań rezonansowych badanego materiału. Czujnik piezoelektryczny pobudzany jest
do drgań napięciem sinusoidalnym i wprowadza do materiału falę ciągłą, która odbija się
wielokrotnie od jego powierzchni ulegając rezonansowemu wzmocnieniu lub wygaszeniu.
Amplituda i faza drgań na powierzchni materiału jest zależna od modułu sprężystości oraz
grubości materiału znajdującego się pod głowicą. W przypadku wystąpienia rozwarstwienia
efektywna grubość materiału ulega zmniejszeniu co powoduje zmianę zarówno amplitudy jak
i fazy drgań. Zmiany te są widziane przez układ pomiarowy aparatu jako zmiana impedancji
elektrycznej czujnika piezoelektrycznego. Skalując miernik na wzorcu reprezentującym
zarówno dobry jak i rozwarstwiony kompozyt można dokładnie określić zakresy parametrów
drgań dla akceptowalnych oraz nieakceptowanych obszarów kompozytu.
W odróżnieniu od techniki opukiwania technika rezonansowa nie jest oparta na
subiektywnym wrażeniu słuchowym lecz na obiektywnym pomiarze ściśle określonych
parametrów drgań. Pomimo tego fizyczne podstawy obu tych technik są podobne, obie
wykorzystują zjawisko drgań rezonansowych materiału z tą różnicą, że w teście opukiwania
„pomiaru” częstotliwości drgań dokonuje się przez subiektywne wrażenie słuchowe a nie za
pomocą przyrządu pomiarowego. Czułość i dokładność metody rezonansowej zmniejsza się
wraz ze wzrostem głębokości rozwarstwień pod powierzchnią. Ponadto jest ona stosunkowo
czasochłonna i trudna do zautomatyzowania wskutek czego bardziej nadaje się do
wyrywkowych pomiarów punktowych niż do dokładnego skanowania dużych powierzchni.
Metody termowizyjne i interferometryczne
W ostatnich latach do badań kompozytów wprowadzono nowoczesne techniki
termowizyjne i interferometryczne [2]. Badanie termowizyjne polega na podgrzaniu
powierzchni kompozytu silnym impulsem ciepła i obserwowaniu dynamicznych zmian
rozkładu temperatury na powierzchni za pomocą kamery termowizyjnej. Obszary, pod
którymi znajdują się rozwarstwienia, wolniej tracą ciepło i tym samym będą charakteryzować
się wyższą temperaturą niż znajdujące się obok obszary prawidłowe. Na podstawie rozkładu
oraz dynamiki zmian temperatury na powierzchni kompozytu można w przybliżeniu określić
zarówno rozmiary poprzeczne jak też głębokość zalegania rozwarstwień lub innych wad,
które blokują przepływ ciepła w materiale.
Techniki interferometryczne takie jak holografia i szerografia bazują na wykorzystaniu
interferencji światła laserowego w celu zobrazowania niewielkich odkształceń powierzchni
materiału pod wpływem wymuszonych obciążeń mechanicznych. Typowym sposobem
obciążania materiałów kompozytowych jest wytwarzanie podciśnienia na ich powierzchni za
pomocą specjalnych przyssawek. Wskutek różnicy ciśnień między powietrzem znajdującym
się wewnątrz rozwarstwienia a powietrzem na zewnątrz obszary powierzchni kompozytu
znajdujące się ponad rozwarstwieniami ulegają niewielkim wybrzuszeniom. Deformacje te
mogą być uwidocznione na obrazach holograficznych lub szerograficznych w postaci serii
prążków interferencyjnych otaczających wybrzuszenia powierzchni.
Podstawowa różnica między techniką holograficzną a szerograficzną polega na tym, że
w technice holograficznej w celu uzyskania obrazu interferencyjnego nakłada się obrazy
powierzchni przed i po obciążeniu uzyskując zobrazowanie absolutnych wielkości
przemieszczeń wskutek obciążenia. Oznacza to, że na obrazie holgraficznym uwidocznione są
zarówno przemieszczenia powierzchni wskutek występowania wad jak też wszelkie inne
przemieszczenia związane np. ze sposobem montowania układu podciśnieniowego lub
przypadkowym poruszeniem badanej części. Niedogodności tej nie posiada technika
szerograficzna, w której wykorzystuje się dwa obrazy już obciążonej powierzchni przesunięte
jednak względem siebie o kilka mm w kierunku poprzecznym (stąd nazwa szerografia). W
rezultacie na obrazie szerograficznym zobrazowane są jedynie przyrosty przemieszczeń na
obciążonej powierzchni (liczone w kierunku przesunięcia obu obrazów) nie zaś absolutne
przemieszczenia powierzchni między stanem obciążonym a nieobciążonym. Obraz
powierzchni w stanie nieobciążonym nie jest w ogóle wykorzystywany w technice
szerograficznej.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]