Etwas nicht | Vanilleschoten-Gruppe

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 18041 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Wir verwendeten die digitale holographische Vibrometrie (DHV) als zerstörungsfreie Methode zur Erkennung von Debonding-Bereichen in Laminaten aus Aluminium und Polymer (Polylactid, Polyvinylidenfluorid oder Polycarbonat). Bei niedrigen Frequenzen (bis zu 30 kHz) \(A_0\) wurden Lambwellen angeregt und die Amplitude und die Phasenmuster der Vibration der Probe wurden gleichzeitig für die Metall- und Polymerseite des Laminats registriert. Basierend auf diesen Mustern wurden ablösende Bereiche in Laminaten lokalisiert. Die Übertragungseigenschaften bei niedrigen Frequenzen wurden auch im Hinblick auf den Frequenzbereich, für den reguläre Lamb-Wellen beobachtet wurden, die Lamb-Wellen-Amplituden und die Lamb-Wellen-Ausbreitungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Frequenz untersucht. Wir haben gezeigt, dass sich diese Eigenschaften auch ändern, wenn ein Defekt im Laminat auftritt. Selbst wenn wir den Defekt nicht lokalisieren konnten, war es anhand des Verhaltens der Lambwellen dennoch möglich, festzustellen, ob eine Probe beschädigt war.

Die Verwendung von Polymer-Metall-Laminaten erfreut sich in den letzten Jahren zunehmender Beliebtheit. Dies liegt daran, dass sie leichter sind und im Vergleich zu reinen Metall- oder Polymerbauteilen bessere physikalische Eigenschaften wie Elastizitätsmodul, Zug- und Biegefestigkeit, Zähigkeit usw. aufweisen1. Darüber hinaus können sie problemlos an spezifische Anwendungen und Bedürfnisse angepasst werden.

Diese Laminate werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter in der Luftfahrt, Automobilindustrie, medizinischen Geräten, Haushaltsgeräten und anderen. Immer mehr Unternehmen der Automobilindustrie versuchen derzeit, das Gewicht von Fahrzeugen zu reduzieren, um deren Betriebsparameter zu verbessern und die Produktionskosten zu senken. Die gleiche Tendenz ist in der Luftfahrt- und Schiffbauindustrie zu beobachten. Metall und Polymer können bei richtiger Herstellung ein Element bilden, das leicht in mechanische Strukturen eingebaut werden kann.

Die Wahl der Materialien für beide Partner des Laminats sollte auf Eigenschaften wie begrenzten Unterschieden in der Wärmeausdehnung, Einhaltung von Umgebungsbedingungen, elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, der Fähigkeit zur Dämpfung von Strukturschwingungen und anderen basieren.

Der Zusammenbau beider Werkstoffe erfolgt heute direkt bei der Verarbeitung ohne zusätzliche Schritte durch gängige Verfahren wie Spritzgießen mit Metalleinlagen2,3,4,5,6,7. Besonders attraktiv sind solche Fügeverfahren aufgrund der Möglichkeit des einfachen und vollständigen Recyclings von Polymer- und Metallkomponenten. Kurzfristige Produktionszyklen der Metall-Polymer-Verbindungen können jedoch zu Verbindungsfehlern führen.

Trotz der zunehmenden Vertrautheit mit den Produktionsmethoden von Polymer-Metall-Laminaten ist die Anfälligkeit für die Bildung versteckter oder kaum sichtbarer Defekte immer noch ein großes Problem. Solche Mängel können sowohl während der Produktion als auch beim Betrieb eines bestimmten Elements auftreten und können bei Standardinspektionen verborgen bleiben1. Unerkannt können solche Ausfälle im Laufe des Betriebs immer häufiger auftreten und letztlich katastrophale Folgen für das gesamte Bauwerk haben1.

Während sich Oberflächenfehler in solchen Materialien recht leicht lokalisieren lassen, sind innere (versteckte) Fehler, deren Vorhandensein einen erheblichen Einfluss auf die Festigkeit des Endprodukts haben kann, schwer zu erkennen. Selbst wenn es erkannt wird, ist seine Lokalisierung auch erforderlich, um nur das defekte Paneel oder einen Teil der Struktur zu entfernen oder zu ersetzen.

Die zerstörungsfreie Prüfung (NDT) ist ein nützliches Werkzeug, um einzelne Komponenten auf mögliche versteckte Mängel zu prüfen. Heutzutage sind nicht nur einige ZfP-Techniken im Einsatz, darunter Ultraschallprüfungen8,9,10 (einschließlich Ultraschallvibrometrie11), Radiographie12,13,14, Rasterlaser-Doppler-Vibrometrie15,16 und Shearographie unter anderem17,18. Für große Objekte und hohe Anregungsfrequenzen – bis zu 6 MHz1,19,20 – werden standardmäßige und bekannte zerstörungsfreie Prüfverfahren mit Lambwellen eingesetzt. In unserer vorherigen Arbeit konnten wir mithilfe der holographischen Vibrometrie21,22 versteckte Defekte in Stahl-Polyamid-Laminaten untersuchen, die mit einer dünnen Schicht Epoxidkleber verbunden waren, sowie in Aluminium-Polyamid-Laminaten, die nur adhäsiv (ohne jeglichen Klebstoff) verbunden waren. Wir verglichen die Amplituden- und Phasenmuster einer Probe, die zu Schwingungen mit Frequenzen im Bereich von 200–30 kHz angeregt wurde. In beiden Fällen konnte ein Debonding-Bereich erkannt und lokalisiert werden, indem Unterschiede in den Vibrationsmustern auf beiden Seiten der Probe gemessen wurden.

In dieser Studie haben wir unsere Methode erweitert und die Beobachtung antisymmetrischer \(A_0\)-Lambwellen bei verschiedenen Schwingungsfrequenzen von Aluminiumlaminatproben mit drei verschiedenen Polymeren durchgeführt und deren Verhalten verwendet, um das Vorhandensein versteckter Defekte zu untersuchen1,23. Die Ausbreitung von Lambwellen in einem isotropen Medium ist für hohe Frequenzen (100 kHz und höher) genau definiert. Dies gilt nicht für Laminate und für einen relativ niedrigen Frequenzbereich (in unserem Fall bis zu 30 kHz). Wir wollten uns in unserer Studie auf die Auswirkung des Defekts auf Laminate im Niederfrequenzbereich (einschließlich des Audiobereichs) für Vibrationen konzentrieren, die im Alltag auftreten, z. B. in häufig genutzten Geräten wie Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen24 oder Ultraschall-Tierabwehrmitteln25 und auch an öffentlichen Orten wie Bahnhöfen oder sogar Bibliotheken (ua aufgrund von Sprachalarmanlagen für öffentliche Adressen und Transportmitteln25,26,27,28).

Mithilfe digitaler holographischer Vibrometrie (DHV) haben wir die Ausbreitung von Lamb-Wellen gleichzeitig auf der Metall- und Polymerseite des Laminats bestimmt. Gerade bei Laminaten ist die Betrachtung beider Seiten sehr sinnvoll. Auf diese Weise wurde die Qualität der Verbindung von Laminaten aus Aluminium-Polymer-Blends beurteilt. Unsere Methode ermöglicht es uns, Proben mit geeigneten Abmessungen für weitere Festigkeitsprüfungen zu testen. Dies ist sowohl für routinemäßige Komponententests im Labor als auch in einer industriellen Produktionsumgebung nützlich.

Bei der Verbindung von Materialien mit einer großen Diskrepanz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie Aluminium und Polymere (siehe Tabelle 1). Yamada et al. haben beobachtet, dass der Elastizitätsmodul abnahm, wenn eine Ablösung auftrat29.

Wir haben drei Sätze Polymer-Metall-Laminate hergestellt, die beim Formpressen nur durch Kleben verbunden wurden. Jeder Satz enthielt Proben mit und ohne Mängel. Die Größe der Defekte variierte: 10 bis 15 mm breit über die gesamte Breite der Probe (siehe Abb. 1).

Jedes Set enthält Proben mit unterschiedlichen Polymeren:

Polylactid (PLA, Ingeo Biopolymer 6400D) – ein umweltfreundliches, biologisch abbaubares, biokompatibles Biopolymer, das für die Verpackung von Produkten mit kurzer Haltbarkeitsdauer verwendet wird und ein vielversprechendes Material für biomedizinische Anwendungen ist30.

Polyvinylidenfluorid (PVDF, Arkema Kynar Flex 3312 C) – ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaften, mechanische Festigkeit und thermische Stabilität, gute Verarbeitbarkeit und chemische Beständigkeit, anwendbar z. B. in Sensoren und Aktoren, Spin-Valve-Geräten, magnetoelektrischen Materialien, Energiegewinnungsanwendungen usw Gewebe31.

Polycarbonat (PC, Lotte Advanced Materials Infino SC-1229UR) – zeichnet sich durch gute Verarbeitbarkeit, hohe Schlagfestigkeit und Sicherheit aus, wird z. B. in Sportlinsen und Schutzbrillen verwendet32.

Seitenansicht einer Probe mit angezeigtem Defekt; Größen sind in mm.

Für alle Laminate wurde ein 1 mm dickes Aluminiumblech PA11 (AW-5754) mit den Abmessungen eines einzelnen Metallblechs 100 \(\times\) 10 mm\(^2\) (Länge \(\times\) Breite) verwendet , eine Standardprobengröße zum Testen von Laminaten.

Vor dem Verbindungsvorgang wurden die Polylactid- und Polycarbonat-Granulate 24 Stunden lang bei 80 °C in einem Trockenschrank getrocknet.

Die Metallbleche wurden in den Korb eines Ultraschallreinigers gelegt, für eine Zykluszeit von 15 Minuten in Aceton getaucht, dann mit destilliertem Wasser gespült und vor dem Verbindungsvorgang mit Ethylenalkohol gereinigt, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen.

Die Metall-Polymer-Laminate wurden durch Formpressen mit einer hydraulischen Presse hergestellt. Zur Herstellung der Proben verwendeten wir eine rechteckige Form mit Hohlraumabmessungen von 100 \(\times\) 100 mm\(^2\) und einer Höhe von 4 mm.

In den Hohlraum wurden Aluminiumplatten im Abstand von 10 mm zueinander eingelegt. PTFE-Streifen wurden direkt auf der Metallplatte platziert, um Defekte der Metall-Polymer-Bindung in den Proben zu beseitigen. Der verbleibende Raum wurde mit Polymergranulat gefüllt. Die Metall- und Polymereinsätze wurden 10 Minuten lang in der geschlossenen Form bei einer Temperatur von:

200 \(\,^{\circ }\text {C}\) für PLA,

230 \(\,^{\circ }\text {C}\) für PVDF,

280 \(\,^{\circ }\text {C}\) für PC.

Anschließend wurde 15 Minuten lang ein Druck von etwa 15 MPa angelegt und anschließend das Laminat in der Form unter Druck bis zur vollständigen Verfestigung abgekühlt. Die PTFE-Streifen wurden bei der Nachbearbeitung entfernt.

Alle Proben wurden mit einem digitalen holographischen Vibrometer Optonor Vibromap 100033 gemessen, um die Phasengeschwindigkeit der Lambwellen zu untersuchen. Dieser Aufbau kann die Schwingungen eines Musters von 640 \(\times\) 480 Punkten gleichzeitig registrieren.

Der von uns entworfene Aufbau ermöglichte es uns, während einer einzigen Messung gleichzeitig einen Bereich von etwa 10 \(\times\) 60 mm\(^2\) sowohl der Ober- als auch der Unterseite der Probe zu beobachten21 (siehe Abb. 2). Das digitale holographische Vibrometer ist im Grunde ein Michelson-Interferometeraufbau mit einem Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm als Lichtquelle. Der Referenzarm ist eine im Vibromap eingeschlossene optische Faser und der Messarm nutzt die Probe als Reflektor. Der Durchschnitt mehrerer Hologramme wird in einer .mat-Datei gespeichert, die die Amplitude und die Phase des Hologramms enthält. Eine detaillierte Beschreibung des Aufbaus finden Sie in Ref.21.

Versuchsaufbau mit Probenhalter und Piezowandler: 1: Probe, 2: Piezowandler, 3: Probenhalter, 4: Vibromap, A: der Spiegel, der Licht von der oberen Oberfläche der Probe reflektiert, B: der Spiegel, der Licht von reflektiert die untere Oberfläche der Probe wird im Spiegel reflektiert21.

Unteransicht einer Probe mit Position der beiden verwendeten Piezo-Wandlertypen: 1: Probe, 2: Piezo-Wandler; links: KingState KPE-827, rechts: PI P-010.00P; Größen sind in mm.

Ein Piezowandler (PZT) wurde auf der Polymerseite des Laminats in direktem Kontakt mit der Probenoberfläche platziert und zusammen mit der Probe festgeklemmt – das Laminat wurde an beiden Enden festgeklemmt. Wir haben zwei Arten von PZT verwendet (siehe Abb. 3): einen PI P-010.00P (mit einer Resonanzfrequenz von 129 kHz) und einen einfachen Piezo-Audiowandler KingState KPE-827, der in einem Frequenzbereich von 200 Hz–60 kHz arbeitet ( siehe Abb. 3). Wir haben die für beide Wandlertypen erhaltenen Daten verglichen und die Ergebnisse waren konsistent. Die Proben wurden während der Messung kontinuierlich zu einer harmonischen Schwingung mit einer Amplitude von einigen bis 50 Nanometern angeregt. Die Frequenz wurde in 100-Hz-Schritten von 1 bis 30 kHz variiert. Dadurch konnten wir antisymmetrische \(A_0\)-Lambwellen beobachten – dieser Wellentyp ist unterhalb von 100 kHz vorherrschend34. Mit der Open-Source-Software Dispersion Calculator 2.0 des DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) zur Berechnung von Dispersionskurven erhielten wir für Aluminium und Polycarbonat ähnliche Ergebnisse wie unsere Experimente35.

Für den Vergleich der Schwingungen beider Seiten der Probe wurde eine spezielle, von uns in der Programmiersprache R36 geschriebene Software verwendet. Die Software extrahiert die Amplituden- und Phasenmatrizen aus den Rohdaten der Vibromap-Software (Version VibroMap_B4_nov15) des Vibrometers und visualisiert diese Daten auf unterschiedliche Weise (siehe Abb. 9, 10). Außerdem kann es die Daten filtern, um Rauschen zu reduzieren, relevante Teile des Bildes herausschneiden und die Bilder der gegenüberliegenden Teile der Proben ausrichten. Darüber hinaus wird das Vorzeichen der Amplitude der unteren Seite umgekehrt. Eine positive Amplitude deutet somit auf eine Aufwärtsbewegung auf beiden Seiten hin. Die Vibromap definiert eine positive Amplitude in Richtung des Detektors, in unserem Aufbau weg von der Mittelebene der Probe. Die vom DHV bereitgestellten Daten geben uns die Amplitude einer Reihe vibrierender Punkte auf der Oberfläche einer Probe sowie die Phase der Schwingung jedes Punktes zu einem bestimmten (willkürlichen) Zeitpunkt der Schwingungsperiode. Anhand dieser Informationen können wir das Verhalten von Lambwellen an der Oberfläche rekonstruieren.

Wir haben es mit DHV-, Aluminium- und Polymerproben und drei Laminatsätzen getestet (siehe Abschnitt „Materialien“). Insgesamt wurden 30 Proben getestet und jede Probe wurde je nach Probe mehrmals, mindestens jedoch dreimal getestet. Wir untersuchten das Verhalten der vibrierenden Proben bei niedrigen Frequenzen (bis zu 30 kHz) im Hinblick auf:

der Frequenzbereich, für den reguläre Lamb-Wellen beobachtet werden konnten,

die Lamb-Wellen-Amplituden,

die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lambwelle in Abhängigkeit von der Frequenz.

Wir verwendeten auch Amplituden- und Phasendiagramme, um Verbindungsfehler in den Laminaten zu lokalisieren.

Der gesamte Frequenzbereich zwischen 200 Hz und 30 kHz wurde für alle Arten von Proben abgetastet (einschließlich einer 1 mm dicken Aluminiumplatte und einer 3 mm dicken Polymerprobe). Breite und Länge dieser Proben waren die gleichen wie bei den Laminatproben. Der Lamb-Wave Frequency Observation Range (LFOR, siehe Abb. 4) ist der Frequenzbereich, in dem Lambwellen deutlich sichtbar waren (siehe Abb. 9 und 10). Proben mit einem speziell angefertigten Defekt wurden mit einem D in der Beschriftung gekennzeichnet ( siehe erste Spalte in Abb. 4 und in Abb. 6, 7, 8).

Frequenzen, bei denen Lamb-Wellen für reine Aluminium- und Polymerproben und Laminate ohne und mit Defekt beobachtet werden konnten.

Nur Aluminium bzw. Vor dem Laminattest wurden nur Polymere getestet. Für eine reine Aluminiumplatte konnten wir Lambwellen im gesamten Bereich von etwa 5 kHz bis 30 kHz beobachten. Die reinen Polymerproben hatten je nach Material einen unterschiedlichen LFOR, der nur etwa 20 kHz abdeckte: 10–28 kHz für PLA, 3–22 kHz für PVDF und 5–25 kHz für PC (siehe Abb. 4).

Bei PVDF erfolgte die Übertragung regelmäßiger Wellen nur für Frequenzen nahe 5 kHz, 15 kHz oder 20 kHz. Bei PLA- und PC-Proben waren die Lücken im LFOR viel kleiner.

Bei den Polymer-Aluminium-Laminaten stellten wir fest, dass die Verbindung von reinem Polymer mit Aluminium zu einer Verbreiterung des LFOR führte. Auch die Lücken in den LFORs waren kleiner. Diese Effekte waren bei den Laminaten PVDF_Al und PC_Al gut sichtbar. Wir haben beobachtet, dass diese Proben höhere Frequenzen übertragen als reine PVDF- oder PC-Proben. Für PLA_Al-Laminate änderte sich der LFOR jedoch kaum im Vergleich zum LFOR reiner PLA-Proben, sondern begann bei höheren Frequenzen (ca. 10 kHz). Das Vorhandensein von Defekten in den Laminaten verringerte die LFOR im Vergleich zu denen der vollständig verklebten Laminate. Es gab eine leichte Tendenz der LFORs, in die für die reinen Polymere beobachteten Bereiche zurückzukehren.

Basierend auf der Amplitude der Lambwellen haben wir die folgenden Transmissionseigenschaften reiner Proben und Laminate ermittelt. Der Piezowandler wurde wie im Abschnitt „Methoden“ erwähnt auf der Polymerseite platziert und die Anregung war immer gleich. Wie erwartet zeigten reine Aluminiumproben die beste Schwingungsübertragung – mit der höchsten Schwingungsamplitude von ca. 20 nm. Bei reinen Polymerproben betrugen die Schwingungsamplituden 12 nm für PLA, 5 nm für PVDF und 15 nm für PC.

Die Lambwellenamplituden für die Laminate waren auf beiden Seiten der Probe unterschiedlich, insbesondere für die Laminate PLA_Al und PVDF_Al. Vibrationen der teilkristallinen PLA- und PVDF-Polymerteile der Laminate waren resp. etwa 10–20 % bzw. 40–50 % schwächer als für den Metallanteil der Probe. Das Auftreten eines Defekts im Laminat erhöhte das Missverhältnis zwischen Metall- und Polymerschwingungen, sogar bis zu 60–70 % für PVDF_Al_D und bis zu 25 % für PLA_Al_D. Lediglich bei PC_Al-Laminaten waren die Schwingungsamplituden des amorphen Polymerteils nahezu gleich denen des Aluminiumteils (max. 5–10 % unterschiedlich), selbst bei Laminaten mit Defekt (PC_Al_D). Bei allen Laminattypen mit einem Defekt kam es jedoch zu einer Phasenverschiebung zwischen den Schwingungen des Metall- und des Polymerteils.

Wir haben auch Geschwindigkeits-Frequenz-Kurven der Lamb-Wellen-Phasengeschwindigkeit aufgezeichnet (siehe Abb. 5, 6, 7, 8), um zu überprüfen, wie sich ein Laminatdefekt auf diese Kurven auswirkt. Die Geschwindigkeit des antisymmetrischen \(A_0\)-Modus wurde anhand der 2D-Amplitudendiagramme des sichtbaren Teils der Probe (ungefähr 54 mm) bestimmt (siehe Abb. 9). Aus Abb. 9b, der über die Breite der Probe gemittelten Amplitude, konnten wir die Lamb-Wellenlänge messen und da wir die Anregungsfrequenz kennen, können wir die Geschwindigkeit berechnen.

In unserer Visualisierung in den Abbildungen haben wir einen festen Amplitudenbereich verwendet. 9 und 10, um die Bilder für verschiedene Frequenzen einfach vergleichen zu können. In einigen Fällen führte dies dazu, dass Amplitudenmuster aufgrund des kleinen Amplitudenwerts weniger sichtbar waren. Wir hätten variable Amplitudenbereiche verwenden können, aber auch wenn die Amplitude im Vergleich zum Amplitudenbereich klein war, deutete das Phasenmuster darauf hin, dass wir die Amplitudendaten verwenden konnten (siehe Abb. 9). Die Verwendung eines festen Amplitudenbereichs erleichterte den Vergleich verschiedener Messungen.

Obwohl es nicht immer möglich ist, die Lambwellengeschwindigkeit für die Frequenzen zu berechnen, bei denen der Defekt sichtbar ist (siehe Abb. 10), konnten wir beobachten, dass es immer noch einen Unterschied zwischen der Lambwellengeschwindigkeit für Proben mit und ohne a gibt Defekt im gesamten Frequenzbereich (siehe Abb. 6, 7, 8).

Abbildung 5 zeigt die Geschwindigkeits-Frequenz-Kurven für Proben aus reinem Polymer (3 mm dick). Zusätzlich ist eine Kurve für eine Probe aus reinem Aluminium (1 mm Dicke) angegeben. Wie in Abb. 5 zu sehen ist, sind die Wellengeschwindigkeiten im Frequenzbereich bis zu 30 kHz niedriger in den Proben mit teilkristallinem PLA und PVDF, als in der amorphen PC-Probe und in der metallischen Probe näher beieinander.

Vergleich der Lambwellen-Phasengeschwindigkeiten für reine Polymer- und Aluminiumproben.

In Abb. In den Abbildungen 6, 7 und 8 sind die Ergebnisse für Metall-Polymer-Laminate ohne und mit Verklebungsfehler dargestellt.

Veränderungen im Verhalten der Lambwellen wurden aufgrund der Kopplung von Wellen beobachtet, die sich in Metall- und Polymerteilen ausbreiten und durch die Adhäsionsverbindung zwischen ihnen ermöglicht werden. Bei Proben ohne Defekt sind Lambwellen stark gekoppelt, im Gegensatz zu den Lambwellen in Proben mit Defekt.

Bei Aluminium-Polymer-Laminaten ohne Verbindungsfehler haben wir beobachtet, dass die Geschwindigkeit der Lambwellen hauptsächlich vom Metallanteil der Probe bestimmt wird und nur geringfügig von der Art des verwendeten Polymers abhängt.

Bei Laminaten mit einem speziell angefertigten Defekt beginnen die Lambwellengeschwindigkeiten in Metall und Polymer im Fall von PLA_Al_D- und PVDF_Al_D-Laminaten deutlich voneinander zu abweichen (siehe Abb. 6, 7). Die größten Unterschiede zwischen den Geschwindigkeiten in der Metall- und Polymerschicht werden für PVDF_Al_D beobachtet. Dies steht im Einklang mit den Ergebnissen, die wir aus dem Vergleich der Schwingungsamplituden erhalten haben.

Lambwellen-Phasengeschwindigkeiten für PLA_Al-Laminate ohne und mit Defekt:_D_; Messfehler: \(\Delta\)f = 1 Hz, \(\Delta\)v = 10 m/s. Geschwindigkeiten der Lambwellen sind markiert: in Schwarz (v_m) für den Metallteil, in Rot (v_p) für den Polymerteil, \(\triangle\) für Laminate ohne und \(\diamond\) für Laminate mit einem Defekt.

Lambwellen-Phasengeschwindigkeiten für PVDF_Al-Laminate ohne und mit Defekt:_D_; Messfehler: \(\Delta\)f = 1 Hz, \(\Delta\)v = 10 m/s. Geschwindigkeiten der Lambwellen sind markiert: in Schwarz (v_m) für den Metallteil, in Grün (v_p) für den Polymerteil, \(\triangle\) für Laminate ohne und \(\diamond\) für Laminate mit einem Defekt.

Lambwellen-Phasengeschwindigkeiten für PC_Al-Laminate ohne und mit Defekt:_D_; Messfehler: \(\Delta\)f = 1 Hz, \(\Delta\)v = 10 m/s. Geschwindigkeiten der Lambwellen sind markiert: in Schwarz (v_m) für den Metallteil, in Blau (v_p) für den Polymerteil, \(\triangle\) für Laminate ohne und \(\diamond\) für Laminate mit einem Defekt.

Bei PC_Al_D-Laminaten konnten wir keine Unterschiede in der Lambwellen-Phasengeschwindigkeit für die Polymer- und Metallteile beobachten. Die Unterschiede im Verhalten der Laminate ohne und mit Defekt waren jedoch deutlich erkennbar (siehe Abb. 8). Die Lambwellen-Phasengeschwindigkeiten für eine bestimmte Frequenz waren bei einem Laminat mit einem Defekt höher als bei einem Laminat ohne Defekt. Wir beobachteten bei allen Laminaten mit einem Defekt, dass sich die Lambwellengeschwindigkeit im Polymerteil der Geschwindigkeit im reinen Polymer annäherte (siehe Abb. 5).

Aus praktischer Sicht können Geschwindigkeitsmessungen in beiden Teilen einer Metall-Polymer-Laminatprobe bei Frequenzen nahe 20 kHz ein ausreichender Anhaltspunkt für die Erkennung von Defekten mit einer Breite von 10–15 mm sein.

Um einen Defekt zu erkennen und zu lokalisieren, wurden die Amplituden- und Phasenmuster der Laminatschwingungen untersucht. Bei Proben ohne Defekt sind die Vibrationen der Metall- und Polymerteile der Probe nachgiebig, beide Seiten der Probe bewegen sich gemeinsam und in die gleiche Richtung. Es kann eine antisymmetrische Lambwelle A\(_0\)19,20,23 beobachtet werden (ein Beispiel ist in Abb. 9b dargestellt). Die Lamb-Welle kann sowohl im Amplituden- als auch im Phasenmuster dargestellt werden.

(a) Amplituden- und Phasenmuster einer PLA_Al-Laminatprobe ohne Defekt. (b) Die Amplitudendaten aus (a), gemittelt entlang der y-Richtung; Blau – Aluminium, Rot – Polymer. Die Farbbalken geben die Amplitude in nm und die Phase in rad an. Die Größe des sichtbaren Teils der Probe beträgt 54 \(\times\) 9,5 mm\(^2\). Der Defekt liegt bei ca. 28 mm.

Bei allen vom DHV gemessenen Laminaten konnten wir Mängel erkennen und lokalisieren. Bei Laminaten mit einem Defekt verliert die Lamb-Welle ihre Regelmäßigkeit; in einigen Fällen konnten Torsionsschwingungen im Bereich des Defekts beobachtet werden (siehe Abb. 10). Durch das Auftreten eines Defekts können sich die Amplitudenunterschiede zwischen Metall- und Polymerschwingungen zusätzlich vergrößern.

(a) Amplituden- und Phasenmuster einer PLA_Al-Laminatprobe mit einem Bindungsfehler. (b) Die Amplitudendaten aus (a), gemittelt entlang der y-Richtung; Blau – Aluminium, Rot – Polymer. Die Farbbalken geben die Amplitude in nm und die Phase in rad an. Die Größe des sichtbaren Teils der Probe beträgt 54 \(\times\) 9,5 mm\(^2\).

Der LFOR, für den wir Defekte in Laminaten beobachten konnten, variiert stärker je nach Defektgröße als nach dem verwendeten Polymermaterial. Generell gilt: Je kleiner der Defekt, desto höher muss die Anregungsfrequenz sein, um eine Beobachtung zu ermöglichen: Defekte von etwa 15 mm konnten bei etwa 13–16 kHz beobachtet werden und kleinere (etwa 10 mm breit) konnten bei etwa 19–22 kHz erkannt werden .

Als Bestandteile der Laminate haben wir zwei teilkristalline Polymere (PLA und PVDF) und ein amorphes Polymer (PC) verwendet.

Amplituden- und Phasenmuster ermöglichten die Lokalisierung eines Defekts. Der LFOR, bei dem ein Laminatdefekt beobachtet werden konnte, hängt eher von der Defektgröße als vom verwendeten Polymermaterial ab.

Bei allen Aluminium-Polymer-Laminaten ohne Defekt folgt die Lambwellenausbreitung im Polymer der im Metall beobachteten. Dies deutet auf eine gute Verbindung beider Schichten hin und zeigt, dass alle getesteten Polymere erfolgreich zur Herstellung eines stabilen Laminats eingesetzt werden können. Da wir gleichzeitig die Metall- und die Polymerseite der Probe beobachten, erfordert unser Aufbau Zugang zu beiden Seiten.

Das Vorliegen eines Klebefehlers äußert sich auf verschiedene Weise. In allen Fällen begrenzt der Mangel die LFOR. Es verändert auch die antisymmetrischen \(A_0\) Lamb-Wellengeschwindigkeits-gegen-Frequenz-Kurven erheblich. Die Abweichungen in den Kurven für das Metall und die teilkristallinen Polymere werden bei Frequenzen über 10 kHz sichtbar. Bei einer Frequenz von 15 kHz war die Lambwellengeschwindigkeit im Polymerteil des PVDF_Al_D-Laminats mit Defekt sogar etwa 40 % niedriger als in der Aluminiumschicht.

Das Vorhandensein eines Defekts in einem Laminat erhöhte den Unterschied zwischen den Schwingungsamplituden des Metalls und des Polymers im Fall von teilkristallinen Polymeren. Insbesondere bei PVDF, das unter den getesteten Materialien die schwächste Schwingungsübertragung aufweist, kann dieser Unterschied von 40–50 % (für PVDF_Al) auf 60–70 % für PVDF_Al_D ansteigen. Für amorphes PC_Al wurde jedoch kein großer Unterschied in den Schwingungsamplituden beobachtet, selbst bei Laminaten mit einem Defekt. Daher ist das Amplitudenkriterium bei Laminaten mit Polymeren mit guter Schwingungsübertragung im Testbereich niedriger Frequenzen möglicherweise nicht wirksam.

Es ist hervorzuheben, dass die vorgestellte NDT-Methode nur eine begrenzte Zeit benötigt, um die Qualität der Verbindung zwischen den beiden Materialien eines Laminats zu testen. Die Verwendung von DHV zur Erkennung von Lamb-Wellen ist eine sinnvolle Erweiterung der Standard-Laminattests, die auch in einer Produktionslinie durchgeführt werden können.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Jagoda Nowak-Grzebyta, Ewa Stachowska, Frans Meijer und Tomasz Sterzyǹski

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JN-G. und ES schrieb den Haupttext des Manuskripts, JN-G. vorbereitete Feigen. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, FM vorbereitet Abb. 9 und 10. Die Software wurde von FM erstellt. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft. Wir stimmen der Veröffentlichung identifizierbarer Details zu, zu denen Fotos und/oder Videos und/oder Fallgeschichten und/oder Details im Text gehören können, die in den wissenschaftlichen Berichten veröffentlicht werden sollen.

Korrespondenz ist Jagoda Nowak-Grzebyta.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Nowak-Grzebyta, J., Stachowska, E., Meijer, F. et al. Eine zerstörungsfreie Technik unter Verwendung digitaler holographischer Vibrometrie und Lambwellen zur Qualitätsbestimmung von Polymer-Metall-Laminaten. Sci Rep 12, 18041 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22853-2

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Eingegangen: 22. August 2022

Angenommen: 20. Oktober 2022

Veröffentlicht: 27. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22853-2

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