Speuren naar scheuren

/em>

De eeuwige frustratie van constructeurs: de reststerkte van een spant, balk of huidplaat kun je alleen honderd procent zeker vaststellen door hem genadeloos kapot te trekken in een testbank. Maar dan is het als constructiemateriaal natuurlijk niets meer waard.

Non-destructieve inspectietechnieken bieden uitkomst. Door geluids-, elastische of elektromagnetische golven het materiaal in te sturen, en te bestuderen hoe het materiaal die golven weerkaatst en absorbeert, kunnen fouten in het materiaal worden gevonden. Het principe werkt niet anders dan iemand die thuis een klopje op zijn muur geeft om te horen of het een holle wandconstructie betreft of een massieve dragende muur.

Maar voor het vinden van een haarscheurtje in dunwandige materialen in de luchtvaart, schiet een klopje met de vuist ernstig te kort. En bij materialen die zijn opgebouwd uit verschillende lagen wordt het nog ingewikkelder.

Alexei Kononov: ,,De weerkaatsingen van de golven op de grensvlakken tussen de laagjes zorgen voor een zeer complex signaal.”

Het Delftse glare, dat toegepast zal worden in de vliegende reus Airbus A380, is zo’n laminaat. Tussen de halve millimeter dikke laagjes aluminium bevinden zich met lijm geïmpregneerde glasvezels. Het resulterende aluminium-glasvezellaminaat glare heeft een lagere dichtheid dan aluminium, is ongeveer anderhalf maal zo sterk als staal en staat vooral bekend om zijn uitzonderlijke vermoeiingseigenschappen.

Kononov: ,,Momenteel wordt glare non-destructief onderzocht met geluidsgolven. Deze worden door een waterkanon het materiaal ingeleid. Aan de achterkant van het proefstuk vangt iemand de doorgelaten geluidsgolven op. Dat golfpatroon geeft inzicht in de kwaliteit van het materiaal. Een scheurtje in het aluminium of een luchtbel tussen twee laagjes, reflecteert de geluidsgolf anders dan het geval zou zijn bij foutloos materiaal.”

Erg nauwkeurig is de methode niet. ,,We kunnen alleen zien dát er iets mis is in het materiaal, niet wát er mis is.” Daarnaast zijn gekromde vlakken % onmisbaar bij gestroomlijnde vliegtuigvormen – lastig te inspecteren. Kononov: ,,Je moet de waterstraal heel nauwkeurig loodrecht aan de ene kant van een paneel mikken, en ook precies op de goede plek aan de andere kant van het paneel het doorgelaten signaal opvangen.”

Laser

Kononov kiest daarom voor een andere non-destructieve inspectietechniek: de laser. Deze geconcentreerde lichtbundel verwarmt een klein gedeelte aluminium net onder het oppervlak. Het aluminium zet lokaal uit, met een elastische golf door het materiaal als gevolg. Door de frequentie van de laser te fluctueren ontstaat een golf in het materiaal, vergelijkbaar met een potlood dat op en neer in een bak met water wordt bewogen.

Kononov noemt een aantal voordelen van de lasertechniek: ,,Verzenden en ontvangen van het signaal gebeurt aan dezelfde kant van het proefstuk. Daarbij kun je laserinspectie ook gebruiken in een vijandige omgeving, zoals tijdens het smelten van staal bij hoge temperaturen.”

Bovendien kan in korte tijd een groot oppervlak geïnspecteerd worden. Kononov: ,,Door de lasereerst op een roterende spiegel te schieten, kan zeer snel een groot oppervlak gescand worden. Ook is de tijd om het ontvangstsignaal te interpreteren korter dan bij andere methodes.”

Op dit moment heeft Kononov de ontvangstsignalen die horen bij foutloos glare in kaart gebracht. De volgende stap is het detecteren van fouten. Kononov: ,,Uiteindelijk zou uit een snelle scan moeten blijken of er een scheurtje in laag drie of laag vier van het laminaat zit. En hoe groot dat scheurtje is.”

Gelaagde materialen kunnen onzichtbare fouten bevatten. Met zijn laserpistool onderwerpt dr. Alexei Kononov het Delftse glare aan een inwendig onderzoek.

De eeuwige frustratie van constructeurs: de reststerkte van een spant, balk of huidplaat kun je alleen honderd procent zeker vaststellen door hem genadeloos kapot te trekken in een testbank. Maar dan is het als constructiemateriaal natuurlijk niets meer waard.

Non-destructieve inspectietechnieken bieden uitkomst. Door geluids-, elastische of elektromagnetische golven het materiaal in te sturen, en te bestuderen hoe het materiaal die golven weerkaatst en absorbeert, kunnen fouten in het materiaal worden gevonden. Het principe werkt niet anders dan iemand die thuis een klopje op zijn muur geeft om te horen of het een holle wandconstructie betreft of een massieve dragende muur.

Maar voor het vinden van een haarscheurtje in dunwandige materialen in de luchtvaart, schiet een klopje met de vuist ernstig te kort. En bij materialen die zijn opgebouwd uit verschillende lagen wordt het nog ingewikkelder.

Alexei Kononov: ,,De weerkaatsingen van de golven op de grensvlakken tussen de laagjes zorgen voor een zeer complex signaal.”

Het Delftse glare, dat toegepast zal worden in de vliegende reus Airbus A380, is zo’n laminaat. Tussen de halve millimeter dikke laagjes aluminium bevinden zich met lijm geïmpregneerde glasvezels. Het resulterende aluminium-glasvezellaminaat glare heeft een lagere dichtheid dan aluminium, is ongeveer anderhalf maal zo sterk als staal en staat vooral bekend om zijn uitzonderlijke vermoeiingseigenschappen.

Kononov: ,,Momenteel wordt glare non-destructief onderzocht met geluidsgolven. Deze worden door een waterkanon het materiaal ingeleid. Aan de achterkant van het proefstuk vangt iemand de doorgelaten geluidsgolven op. Dat golfpatroon geeft inzicht in de kwaliteit van het materiaal. Een scheurtje in het aluminium of een luchtbel tussen twee laagjes, reflecteert de geluidsgolf anders dan het geval zou zijn bij foutloos materiaal.”

Erg nauwkeurig is de methode niet. ,,We kunnen alleen zien dát er iets mis is in het materiaal, niet wát er mis is.” Daarnaast zijn gekromde vlakken % onmisbaar bij gestroomlijnde vliegtuigvormen – lastig te inspecteren. Kononov: ,,Je moet de waterstraal heel nauwkeurig loodrecht aan de ene kant van een paneel mikken, en ook precies op de goede plek aan de andere kant van het paneel het doorgelaten signaal opvangen.”

Laser

Kononov kiest daarom voor een andere non-destructieve inspectietechniek: de laser. Deze geconcentreerde lichtbundel verwarmt een klein gedeelte aluminium net onder het oppervlak. Het aluminium zet lokaal uit, met een elastische golf door het materiaal als gevolg. Door de frequentie van de laser te fluctueren ontstaat een golf in het materiaal, vergelijkbaar met een potlood dat op en neer in een bak met water wordt bewogen.

Kononov noemt een aantal voordelen van de lasertechniek: ,,Verzenden en ontvangen van het signaal gebeurt aan dezelfde kant van het proefstuk. Daarbij kun je laserinspectie ook gebruiken in een vijandige omgeving, zoals tijdens het smelten van staal bij hoge temperaturen.”

Bovendien kan in korte tijd een groot oppervlak geïnspecteerd worden. Kononov: ,,Door de lasereerst op een roterende spiegel te schieten, kan zeer snel een groot oppervlak gescand worden. Ook is de tijd om het ontvangstsignaal te interpreteren korter dan bij andere methodes.”

Op dit moment heeft Kononov de ontvangstsignalen die horen bij foutloos glare in kaart gebracht. De volgende stap is het detecteren van fouten. Kononov: ,,Uiteindelijk zou uit een snelle scan moeten blijken of er een scheurtje in laag drie of laag vier van het laminaat zit. En hoe groot dat scheurtje is.”