Digitale Röntgen- und CT-Systeme ersetzen andere Methoden der zerstörungsfreien Prüfung bei der Herstellung von Rennwagen

Bei Renault Motorsport machen verschiedene Anwendungen eines fortschrittlichen CT-Systems den zerstörungsfreien Prüfprozess schneller und zuverlässiger. Das bietet Vorteile in der Prüfung von Fahrzeugteilen und Komponenten zwischen Rennen. Das Ergebnis sind optimierte Gesamtherstellungs- sowie Vorbereitungsprozesse.

Ende 2015 gab Renault bekannt, dass es sich wieder unter die Teameigner begeben würde. Renault holte sich daraufhin sein altes Team von Genii Capital zurück, das seit 2011 als Lotus-Team am Start war. Und so rollt seit 2016 der Name Renault - in Gestalt von Renault Sport Formula One™ Team - wieder in der Formel 1. YXLON International, weltweiter Hersteller von Röntgen- und CT-Systemen für industrielle Applikationen, und Renault Sport Formula One™ Team gaben 2016 den erfolgreichen Beginn ihrer technischen Partnerschaft bekannt. Dafür stellte das Unternehmen dem Renault Sport Technical Center in Enstone das bewährte Y.MU2000-D Röntgenprüfsystem als Premiumversion zur Verfügung– ausgestattet mit Variofokus-Röhre, hochdynamischer Radioskopie (HDR) und Computertomografie (CT). Als CT-Rekonstruktions-, Analyse- und Visualisierungssoftware steuerte Volume Graphics das komplette Software-Paket VGSTUDIO MAX 3.0 bei. Damit erfuhr das Renault Sport Prüflabor eine beeindruckende Bereicherung seiner Prüftechnologien.

Laut Adrian Talbot, Experte für zerstörungsfreie Prüfung und technischer Leiter der NDT-Abteilung, wird sich das Einsatzgebiet des Röntgensystems aufgrund seiner Leistungsstärke kontinuierlich erweitern. Nach und nach werden andere zerstörungsfreie Prüfmethoden durch Röntgen und CT ersetzt. Das MU2000-D erfüllt die hohen Anforderungen der Qualitätssicherung in der Vorbereitungsphase und zwischen den Rennen schneller und zuverlässiger. Durch seine Flexibilität kann es außerdem für Teile unterschiedlichster Dimensionen und Komplexität genutzt werden.

Adrian Talbot stellt drei Applikationen vor, welche die direkte Optimierungen in der Fertigung nach sich zogen.

Lenksäule

Bei der Lenksäule handelt es sich um ein sicherheitskritisches Bauteil, das am Ende des Lenksäulenbausatzes direkt an das Zahnstangengehäuse anschließt.

Es gibt keine mechanischen Befestigungen, denn die Schnittstelle zwischen den beiden Werkstoffen basiert ausschließlich auf der Unversehrtheit der Bindung und auf der Verdichtung des Carbonmaterials.

Die CT-Anwendung wurde anfangs zur Unterstützung unserer Ultraschallverfahren eingesetzt, um die Intaktheit der Klebeverbindung zwischen Stahl und Carbonmaterial zu bewerten. Dafür wird zunächst eine Dauerfestigkeitsprüfung vorgenommen. Anschließend erfolgt ein Test der einzelnen Torsionslasten über die jeweils ausgelegte Bemessungslast hinaus. Dabei haben wir in diesem Fall sehr nahe an der äußeren Oberfläche eine Delaminierung (Schichtablösung) festgestellt, die sich nach einer Wiederholung des Tests und erneuter Ultraschallprüfung bestätigte.

Daraufhin haben wir das MU2000-D eingesetzt und einen CT-Scan der Fläche durchgeführt. Hier wurden jetzt weitere Delaminierungen hinter den ersten beschädigten Lagen sichtbar, die wir so nicht erwartet hatten. Mit Ultraschall allein wären sie nicht entdeckt worden. Auf Basis dieser detailreichen Bilder und Informationen haben die Kollegen unserer Belastungs-Abteilung ihre eigenen Ergebnisse modelliert und konnten darüber hinaus die CT-Daten für die Analyse einer radialen Delamination verwenden. Wir haben unsere Prüfprozesse mittlerweile geändert und verlassen uns hier ausschließlich auf die Computertomografie. Mit den CT-Aufnahmen erhalten wir eine bildbasierte Bewertung der Fläche während des gesamten Prüfprogramms zur Dauerfestigkeit.

Crossover-Ölleitung

Die Crossover-Ölleitung hat zwar eine relativ einfache Carbonkonstruktion, dafür aber eine außerordentlich komplexe Form. Sie macht es sehr kompliziert, innere Anomalien exakt zu erfassen und zu charakterisieren.

In diesem Beispiel hat ein Fremdkörper aus Klebstoff, der das Aluminium mit dem Carbon verbindet, einen inneren Schnittpunkt geschmälert und dadurch den Öldurchfluss verengt. Zunächst haben wir wieder unser Standardverfahren angewandt: Ein Endoskop wird in die Leitung eingeführt, um deren innere Eigenschaften zu beurteilen. Wegen des Winkels und einiger Probleme durch reflektiertes Licht wurde diese durch den Klebstoff verursachte Anomalie zunächst als annehmbar erachtet. Erst als wir die Fläche mit CT untersuchten und den fehlerhaften Klebstoff modellierten, wurde klar, wie kritisch diese Anomalie in Wirklichkeit war: Sie hätte nicht nur den Öldurchfluss beeinträchtigt, sondern auch die Hohlraumbildung gefördert, die Dauerhaltbarkeit verringert und möglicherweise sogar zu einer Ablösung der Leitung selbst führen können, was weitere nachgelagerte Schäden verursacht hätte. Unsere Produktionsverfahren wurden daraufhin angepasst, um Fehler dieser Art zukünftig zu vermeiden.

Pitotrohr im Windkanal: durch direktes Metall-Lasersintern (DMLS) hergestelltes Material

Unsere Abteilung für Windkanäle ist mit einer weiterentwickelten und empfindlicheren Version eines Pitotrohrs an uns herangetreten. Das Pitotrohr, auch Staudrucksonde genannt, misst die Luftströmung im Windkanal vorn am Fahrzeug. Es ist Teil eines fortlaufenden Entwicklungsprojekts und wird in einem 3D-Fertigungsverfahren für schnelle Prototypenerstellung (Rapid Prototyping) aus Titan hergestellt. In diesem Fall wurde das Teil direkt nach seiner Fertigung in den Windkanal gestellt. Vorher wurde lediglich eine Maßkontrolle vorgenommen.

Die Ergebnisse des ersten Testlaufs deuteten bereits darauf hin, dass etwas nicht in Ordnung war. Da die Zeit zu Saisonbeginn immer recht knapp ist, musste das Windkanal-Team zügig herausfinden, wo genau das Problem lag. Zunächst erstellten wir ein Röntgenbild und entdeckten im inneren Rohraufbau sofort eine Verschiebung. Die Computertomografie verdeutlichte das Problem umso mehr: Auch wenn das Pitotrohr äußerlich gut aussah, waren sämtliche Leitungen im Inneren falsch ausgerichtet. Üblicherweise hätten wir das Teil anschließend in unserem Werkstofflabor unter Anwendung unserer konventionellen Methoden zerteilen müssen - das hätte jedoch wertvolle Zeit gekostet. Stattdessen leiteten wir die CT- und Röntgenaufnahmen sofort an unseren Lieferanten weiter. Der wiederum korrigierte nach Erhalt der Bilder sogleich seine Konstruktionsverfahren und konnte uns binnen 24 Stunden ein neues Pitotrohr liefern. Nach 36 Stunden war das Rohr installiert und betriebsbereit.

System und Software im Überblick

Das Y.MU2000-D hat seine Zuverlässigkeit und Flexibilität bereits in zahlreichen Anwendungen bewiesen und deckt eine große Bandbreite von Teilen und Materialien in der Automobilindustrie, in Luft- und Raumfahrt sowie anderen Bereichen ab. Es ist ein verlässliches Allroundsystem zur Stichproben- oder zur Serienprüfung und wird weltweit in F&E, in Instituten und Laboren und in der Produktion eingesetzt. Das Y.MU2000-D arbeitet dabei auch in rauen Umgebungen zuverlässig. Die Variofokus-Röhre, mit der das System für Renault Formula One Team ausgestattet ist, vergrößert durch den variablen Brennfleck von 250 µm bei 290 W bis zu 800 µm bei 1600 W die Bandbreite der Prüfteile und sorgt für optimale Detailerkennbarkeit. Dank ihrer Flexibilität und Leistung kann sie auch dicke Materialien wie Aluminium und Inconel durchdringen. Die CT-Funktion des Y.MU2000-D erlaubt es dem Anwender, einfach und schnell von digitaler Radioskopie (DR) in die 2D- oder 3D-Computertomografie (CT) zu wechseln, um detailliertere Informationen über Material, Fehler und innere Strukturen zu erhalten.

Mit jeder Version erweitert Volume Graphics den Funktionsumfang von VGSTUDIO MAX, seiner Software zur Analyse und Visualisierung industrieller 3D-Computertomografiedaten. Mit der Software lassen sich alle Arten von Analysen und Visualisierungen direkt auf Daten der industriellen Computertomografie durchführen. Um von den enormen Möglichkeiten von VGSTUDIO MAX zu profitieren, muss ein Bauteil lediglich mittels Computertomografie gescannt werden. Dabei eignet sich die Software für nahezu alle Arten von Bauteilen – seien es Gussbauteile aus Metall oder Kunststoff, poröse Materialien, Schäume, Faserverbundwerkstoffe oder additiv gefertigte Bauteile. Der Voxeldatensatz, der beim Scan entsteht, berücksichtigt jedes Detail des realen Bauteils. Dies ist der ideale Ausgangspunkt für verschiedenste material- und geometriebezogene Analysen: von Messungen über Defektanalysen bis hin zu Simulationen.

Adrian Talbot ist von der Röntgentechnologie überzeugt: „Mit der digitalen Radioskopie und den unbegrenzten Möglichkeiten der Computertomografie sind unsere zerstörungsfreien Prüfprozesse insgesamt sehr viel schneller und dabei auch noch zuverlässiger geworden. Das ist besonders für die Funktions- und Komponentenprüfungen des Rennwagens zwischen den Rennen ein enormer Gewinn. „Darüber hinaus sind wir jetzt in der Lage, detaillierte Bilder von Baugruppenteilen für weitere Analysen vor und nach den Rennen zu erhalten und zukünftige Entwicklungen zu dokumentieren. Das reduziert Kosten - so können technische Neuerungen zügiger eingesetzt werden.“

Der Technische Direktor des Renault Sport Formula One Teams, Nick Chester, fügt hinzu: „Wir werden in der Lage sein, die Qualität aller einzelnen Komponenten, sowohl während der Entwicklung, als auch in der Produktion erheblich zu steigern. Strukturanalysen verschiedener Materialien, ob Faserverbundstoffe oder 3D- gedruckte Komponenten, können wesentlich präziser durchgeführt werden, als mit unseren herkömmlichen Methoden. Auch Schadenanalysen und Soll-Ist-Vergleiche mittels CAD-Daten lassen sich schneller erstellen. Das alles wird positive Auswirkungen auf die Gesamtqualität und Sicherheit unserer Rennwagen haben.“

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