NDT av komposittmateriale i Luftforsvaret (LF)

NDT av komposittmateriale i Luftforsvaret (LF) NDT Konferansen Svalbard 31 August 2009 Arild Lindkjenn FLO/S/Luftkapasiteter Forfatter Prosjektittel 31.08.2009 1 31.08.2009 1

Innhold Komposittmateriale generelt Definisjon NDT av komposittmaterialer Inspeksjon av Navy Lynx Helikopter kompositt rotorblader Ultralydteknikker brukt i LF til inspeksjon av limte forbindelser. 31.08.2009 2

Hva er komposittmaterialer Definisjon Materiale sammensatt av to eller flere enkeltmaterialer i separate faser (ikke homogen blanding.) Laminater og fiberarmerte materialer (fiberkompositter) er typiske kompositter. 31.08.2009 3

Metoder for inspeksjon av limte forbindelser som benyttes i Luftforsvaret Tapping (Inspeksjons teknikk) Coin Tapping Woodpecker (Elektronisk tapping-utstyr) Ultralyd (Bond testing) Resonance Pitch-Catch Mechanical Impedance Analysis (MIA) Ultralyd Pulse Echo Throug transmission 31.08.2009 4

Tap-Hammer inspeksjonsmetode Kvaliteten på inspeksjonen avhenger av operatørens kunnskap om metoden og operatørens hørsels egenskaper. Hæææ.. Derfor er det avgjørende at personell som utfører tap-inspeksjon kjenner metodens inspeksjonsprosedyre og dens begrensninger. 31.08.2009 5

Hva kan sjekkes med Tap-Hammer Enkel metoden som brukes til å sjekke limte paneler for hulrom i: hudplate-hudplate forbindelse (skin-skin) hudplate-til-kjerne forbindelse (skin-core) delaminering av laminert struktur (lag på lag) Metoden er brukbar på Aluminium-titan-stål-glassfiber-grafitt aluminium-honeycomb core og glassfiberhoneycomb core. 31.08.2009 6

Tap-Hammer Begrensninger Vanskelig å finne små hulrom/defekter Økende platetykkelse øker vanskelighetsgraden for å finne defekter. Tap metoden skal ikke brukes i områder hvor platetykkelsen overstiger 0,080 (2mm) Metoden begrenser seg til å finne feil i forbindelsen mellom lim lagets ytterside og panelet 31.08.2009 7

Tapping tool manuell 31.08.2009 8

Tap teknikk 31.08.2009 9

NOTE! Tappeverktøyet kan være en nikkel- mynt eller stoppeskive som har glatt og jevn kant. Operatøren må ha tilstrekkelig kunnskap om denne prosedyren for å kunne utføre inspeksjonen riktig. Delaminering vil gi hul og dempet lyd. Fast og klar lyd betyr god bonding Er man usikker skal tappe samme område på ett blad man vet er i god stand og sammenligne lydene. 31.08.2009 10

Inspeksjon av helikopter rotorblad Krav Westland Navy Lynx MK 86 (engelsk helikopter) overhalingsmanual tilsier Coin eller Woodpecker Bell 412 (canadisk helikopter) krever kun coin / metallskive 31.08.2009 11

Westland Lynx Helikopter Benyttes av Forsvaret til Kystvakt operasjoner Rotor blader av Kompositt materiale. 31.08.2009 12

Tap testing Helikopter Rotorblader Tap testing av Lynx Helikopter Rotorblader utføres på fase ettersyn (hver 300 flytime) 31.08.2009 13

Inspeksjon av rotorblader Step 1: Rengjøring av Rotorblad før inspeksjon ADVARSEL Ikke bruk bensin, parafin, naftalin, tynner eller andre løsemidler til rengjøring av bladene. Løsemidler kan redusere styrken til bladets bindemateriale (Lim) og dermed skade rotorbladet. 31.08.2009 14

Tap testing Helikopter Rotorblader Step 2:Visuell Inspeksjon Inspiser bladet jevnlig for tegn på slitasje og erosjon, delaminering, sprekker, riper etc.. Step 3: Inspiser for delaminering (2 alternative metoder) - Alt 1: Coin tapping verktøy (metallskive) - Alt 2: Elektronisk tappe verktøy (Woodpecker 632) Advarsel: Feil bruk av tapp hammer (tool) kan forårsake innvendige skader i bladet som igjen kan være være vanskelig å finne (bladet får svekket styrke) 31.08.2009 15

Tap testing Helikopter Rotorblader Alt 2: Woodpecker 632 Utstyret er utviklet for å finne: Delaminering i fly materialer og er derfor godt egnet til inspeksjon av honeycomb med tynn hud samt FRP eller Aluminium laminater etc. Instrumentet er designet for plater med hudplate tykkelse opp til 4mm (acrylic hammer hode) 5mm (aluminium hammer hode) Hammer hode & Bein 31.08.2009 16

Tap testing Helikopter Rotorblader WOODPEKCER 632 Referanseverdi Responstid (ms) Aktuell resonstid (ms) Antall slag 31.08.2009 17

Tap testing Helikopter Rotorblader Referanse stykke Markør for nøyaktig posisjon av defekt 31.08.2009 18

Tap testing Helikopter Rotorblader Inspeksjonsomfang Navy Lynx MRB 4 rotorblader skal sjekkes på over og undersiden. Lengde på rotorblad er ca 4m Bladene må sjekkes systematisk (parallelt til forkant) maks 20 mm mellom linjene og 5 mm mellom hvert tapp. Ca 1,5t inspeksjonstid pr rotorblad Dvs ca 6 timer testing pr helikopter. 31.08.2009 19

Woodpecker Test område 31.08.2009 20

Tap testing Helikopter Rotorblader INSPEKSJONSPROSEDYRE Kontroller hammerhode vinkelen 90+-10deg Tapp på over- og undersiden og lytt nøye til lyden. Scanne hastighet max 20mm/sek Sjekk kalibrering av instrumentet etter hvert 15 min med scanning. Ved mistanke om delaminering: Merk omkretsen av mistenkelig område, mål område og sammenlign resultatet med gitte grenseverdier for reparasjon, eventuelt kassering. 31.08.2009 21

Tap testing Helikopter Rotorblader Hvordan bestemme defekt område? Defekt område bestemmes av lyden eller endring i lydbilde. Lydbilde vil være mindre skarpt enn ett område uten feil. Lydbilde vil være stump eller død Forskjellige områder vil ha forskjellige lydbilde selv om område er fritt for feil/defekt. Operatøren må derfor kjenne konstruksjonen for hvert område som skal inspiseres for å kunne bestemme variasjoner i platetykkelse, kjerne tykkelse, skjøter, etc.. 31.08.2009 22

Hva med Bell 412 Helikopter? Foruten visuell kontroll er en metallskive (coin) det som kreves for kontroll av rotorbladene til Bell 412. 31.08.2009 23

UT-teknikker for inspeksjon av limte forbindelser 31.08.2009 24

Komposittmateriale på F-16 31.08.2009 25

Through-transmission 2 transdusere, en over og en under delen som skal inspiseres. 1 lydhode virker som sender og 1 som mottaker. Hvis alt er ok har vi signal. Ved defekt/debonding vil signalet reduseres eller forsvinne helt 31.08.2009 26

Bondtesting Til å inspisere limte forbindelser i komposittmaterialer på fly benytter LF foruten vanlig ultralyd pulse-echo også en Bondmaster Med en Bondtester har vi fem alternative inspeksjonsmetoder tilgjengelig for å inspisere en rekke forskjellige materialer og lim forbindelser for feil. Den optimale metoden velges og instrumentet konfigureres automatisk i henhold til hvilken type og frekvens proben som tilkoples. Justeringer gjøres på på laben/verkstedet for optimalisere signalene før inspeksjon. 31.08.2009 27

Bondmaster UT-metodene presenteres med forskjellige skjermbilder. Prosedyrene i relevante NDT manualer er ofte veldig tynt beskrevet. Det kreves derfor god opplæring og erfaring i bruk av dette instrumentet for å sikre at inspeksjonen utføres på en riktig og god måte. 31.08.2009 28

Resonans teknikk Kompresjonsbølger Når komponentens materialtykkelse tilsvarer ett eksakt antall halv-bølger av ultralyd energien, vil komponenten resonere and produsere en last-effekt (elektrisk impedans) i lydhode. Den akustiske impedansen endres ved delaminering og dette vil ha en betydelig påvirkning på lydbølgens fase og amplitude. 31.08.2009 29

Resonans teknikk Delaminering påvises ved at sensoren analyserer forandringer i den elektriske impedansen. Metoden kan brukes til å påvise limfeil i en rekke materialer. I mange tilfeller kan dybde til delaminering relateres til signalets fasevinkel og amplitude. Probefrekvens velges etter platetykkelse og materialtype; tynnere platetykkelse betyr høyere frekvens. 31.08.2009 30

Pitch-Catch Pitch Catch Test Metode Med Pitch-Catch metoden kan vi velge mellom tre forskjellige teknikker. RF methode Impulse method Swept method. Enkel setup som ikke krever koplingsmiddel. En fordel med denne metoden er at lift-off signalet er veldig forskjellig fra ett delaminering signal. 31.08.2009 31

PITCH-CATCH RF-metode Dual-element, point-contact, drycoupled ultrasonic probe. Ett element sender (pitches) lydenergi inn i test stykke og ett element mottar (catch) lydenergien som overføres mellom probetippene Velger frekvensen som gir mest flex (bevegelse) i testmateriale. Limforbindelsen under de to probetippene bestemmes av bilde som presenteres på instrumentskjermen som ett raw RF signal motatt fra mottaker tip en. (sløyfer fase-amplitude detektoren) Forskjellen i amplitude og fase mellom god og dårlig lim-forbindelse detekteres. God forbindelse Dårlig forbindelse 31.08.2009 32

Pitch-catch Impuls metode Metoden er nesten som RF. Frekvensen velges slik at den gir en maksimal fleksible bevegelse for overflate lagets tykkelse til det materialet som skal testes. Større amplitude over område med delaminering siden platens bevegelse begrenses over en god limforbindelse og utralyenergien blir absorbert inn i materialet. Sammenligner signalene fra god og dårlig forbindelse. God Limforbindelse gir er betydelig lavere amplitude enn signalet fra en dårlig limforbindelse. Setter en gate ved signalets delay time. Denne tid vs. amplitude kan vises på skjermen og alarmen settes etter valgt amplitude. Time base display Fase-amplitude display Kombinasjon RUN2 Mode 31.08.2009 33

Pitch-Catch Swept Metode Benytter frekvenser mellom 5KHz- 100KHz. Energien transporteres som platebølger mellom probe tip ene. Ulikt RF- eller Impuls- så er frekvensen i Swept mode ikke fixed. Frekvensen som gir størst respons (maksimum flexibilitet) velges som test frekvens. Det sirkulære område representerer fase og amplitude (større sirkel betyr defekt). 31.08.2009 34

Pitch-Catch Swept Metode En puls med flere frekvenser (velges) Kalibrering: Plasser proben på god eller dårlig limforbindelse og juster forsterkning til signalet fra dårlig limforbindelse er utenfor alarm boksen. Liftoff effekt (dårlig kontakt) vil minske amplituden eller det sirkulære signalet mens delaminering vil ha en motsatt effekt. Egner seg godt til å finne feil nær overflaten og i materialdybder ned til ca 0,08 for Aluminium og 0,3 i ikke metallisk kompositt. Dårlig limforbindelse God limforbindelse Operatøren kan velge mellom lav, medium eller høy repetisjons rate Dårlig kontakt med underlaget 31.08.2009 35

Mekanisk Impedanse Analyse Single-tip, dobbel element probe med sender og mottaker element. Variasjoner i limforbindelsen til test stykke påvirker probe lasten (impedansen). Kalibrering: driver frekvensen sveiper gjennom ett område fra 2KHz til 10KHz for å etablere en optimal testfrekvens. Operatøren velger den frekvensen som gir størst forskjell i fase og amplitude mellom god og dårlig limforbindelse (8,5kHz) Fungerer bra for å påvise dårlig limforbindelse, skadet (crushed) kjerne struktur samt defekt på innvendig kompositt struktur. (MIA) 31.08.2009 36

Ett utvalg av referanse biter for kalibrering av ultralydinstrumenter ifm kompositt testing Kompositt testing krever gode referanse std som gjenspeiler testkomponenten og har innlagte forventede feil 31.08.2009 37

Test av limte forbindelser Belegg i luftinntaket på F-16 original metode Dempet respons signal -> øke forsterkning m/15db Respons fra aluminium plate under belegget ->OK Mangler respons fra Aluminium plate 31.08.2009 38

Test av limte forbindelser Belegg i luftinntaket på F-16 Alternativ metode? Referanse standard for sjekk av belegget. 31.08.2009 39

Test av limte forbindelser Skanning av ref std luftinntak F-16 - Phased array, C-scan 31.08.2009 40

Test av limte forbindelser Scanning av ref std luftinntak F-16 PA, A-scan & B-scan 31.08.2009 41

FREMTIDIGE UTFORDRINGER F-35 er det nye kampflyet Norge har valgt Flyet består i hovedsak av komposittmateriale Vil en Mynt eller en Tap-Hammer være nok til å sjekke deler av dette Økt operativ evne flyet gjennom? effektiv logistikk 31.08.2009 42

Agusta FORSVARET NH-90 Helikopter (nytt kystvakt helikopter ) Erstatter Westland Navy Lynx MK-86 fra neste år. Dette er en flymaskin bestående i hovedsak av komposittmateriale Hvilke NDT metoder som skal brukes ifm vedlikehold her er foreløpig ukjent for FLO/S/LU. 31.08.2009 43

Takk for oppmerksomheten 31.08.2009 44