Qualitätskontrolle in der Luftfahrt mit hochleistungsfähigen mobilen Geräten zur Messung der Härte

Sicherheitsanforderungen an Materialien für den Bau und die Überholung in Luft- und Raumfahrt gestalten sich neu

Die Sicherheitsanforderungen in der Luft- und Raumfahrt beinhalten sehr strenge Anforderungen an die verwendeten Materialien. Dazu gehören die Verwendung moderner Verbundwerkstoffe und Metalllegierungen, die leichter und stärker sind als herkömmliche Materialien, sowie umfassende Prüf- und Zertifizierungsverfahren.

Darüber hinaus wird der Einsatz des 3D-Drucks immer beliebter, da er die Herstellung komplexer Teile mit speziellen Formen und Geometrien ermöglicht, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nur schwer zu realisieren sind.

Materialien wie Kohlefasern, Aluminium- und Titan-Legierungen bilden ein wichtiges Standbein im Leichtmetallbau bei Flugzeugen. Sie reduzieren das Gewicht der Flugzeugkomponenten und gewährleisten gleichzeitig deren Belastbarkeit und Haltbarkeit.

Risiken von Leichtbauteilen für den Flugzeugbau

In der Luftfahrt sind Komponenten extremsten Belastungen ausgesetzt. Das Hauptrisiko, das mit Leichtbaukomponenten für den Flugzeugbau verbunden ist, besteht darin, dass diese möglicherweise nicht so stabil und haltbar sind wie herkömmliche Materialien. Dies könnte dazu führen, dass Bauteile während des Fluges ausfallen, was katastrophale Folgen haben könnte. Außerdem sind Leichtbauteile möglicherweise anfälliger für Schäden durch extreme Temperaturen und starke Kräfte.

Auch können Leichtbaukomponenten in der Herstellung teurer sein, was die Kosten für die Flugzeugproduktion erhöhen könnte. Daher werden höchste Anforderungen an die Produktionsverfahren gestellt, um den Ausschuss selbst bei kleinen Bauteilserien zu minimieren.

Wie lässt sich das Risiko des Versagens von Bauteilen durch zerstörungsfreie Prüfverfahren begrenzen?

Um die oben genannten Risiken zu mindern, ist es wichtig, dass die Bauteile vor ihrem Einsatz in einem Flugzeug gründlich geprüft werden.

Zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfP) können eingesetzt werden, um mit einer 100% Prüfung das Risiko eines Komponentenausfalls in Flugzeugen zu begrenzen. Zu diesen Methoden gehören visuelle Inspektionen, Radiographie, Wirbelstromprüfung, Ultraschallprüfung, Magnetpulverprüfung als auch die zerstörungsarme Härtemessung.

Mit diesen Methoden lassen sich Fehler und Defekte in Materialien und Bauteilen, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, detektieren. Häufig entstehen diese beispielsweise im Herstellprozess.

Darüber hinaus kann die zerstörungsfreie Prüfung zur Überwachung des Zustands von Bauteilen im Laufe der Zeit eingesetzt werden, d.h. zur Wartungsprüfung. Damit werden Verschleißerscheinungen, die zu Ausfällen führen könnten, frühzeitig erkannt.

Häufige Anwendungsfelder der mobilen Härtemessung in der Luftfahrt

Mobile Härteprüfgeräte werden in der Luftfahrt häufig eingesetzt, um die Härte von Materialien zu prüfen, die in Flugzeugkomponenten wie Fahrwerk, Triebwerk und Rumpf verwendet werden.

Das Fahrwerk, beispielsweise, muss die festgelegten Konstruktionsanforderungen und Sicherheitsstandards erfüllen oder übertreffen, bevor es für den Einsatz in einem Flugzeug zugelassen werden kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Bauteile robust genug sind, um den Belastungen des Flugs standzuhalten. Dabei kommt die Prüfung sowohl in der Produktion als auch in der späteren Instandhaltungswartung zum Einsatz.

Die zu prüfenden Bauteile können hierbei in der Größe stark variieren: von kleinsten Scharnierelementen bis hin zu Radfelgen oder Elementen der Tragflächen. So können die mobilen Härteprüfgeräte auch verwendet werden, um die Härte von Verbindungselementen wie Bolzen und Schrauben zu prüfen, die zur Befestigung von Komponenten am Flugzeug verwendet werden.

Schließlich können mobile Härteprüfgeräte in Kombination mit der Leitfähigkeitsprüfung zur Kontrolle des Wärmebehandlungszustands an Aluminiumteilen und speziellen Stahllegierungen hoher Festigkeit verwendet werden, um sicherzustellen, dass sie für den Einsatz in Flugzeugkomponenten geeignet sind. Häufig müssen Bauteile mit den verschiedensten elastischen Eigenschaften in kurzer Abfolge gemessen werden. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Geräteeinstellungen schon vorab im Speicher hinterlegt sind, um dann einfach für den Einsatz abgerufen zu werden. Auch im Wareneingang erlaubt die mobile Ausführung einen flexiblen und vielseitigen Einsatz.

Daran zeigt sich, dass sich die Anwendung der mobilen Härtemessung von der Herstellung der Komponenten bis hin zu deren technischer Wartung erstreckt.

Hohe Anforderungen, denen die mobile Härtemessung in der Luftfahrt gerecht werden muss

Zu den hohen Anforderungen, die an die mobile Härtemessung in der Luftfahrt gestellt werden, gehören die Notwendigkeit von Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit. Diese müssen über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden. Das Bedienpersonal kennt die Materialien und die Prüfaufgabe ebenso genau wie alle Funktionen des Prüfgeräts für eine bestmögliche Kalibrierung und Anwendung mit nachprüfbaren Ergebnissen. Die mobile Härtemessung wird zur Prüfung der Härte von Flugzeugbauteilen eingesetzt, die bestimmte Normen erfüllen müssen, um für den Einsatz in Flugzeugen zugelassen zu werden. Die Prüfvorgaben sind in den jeweiligen Prüfungsspezifikationen detailliert beschrieben.

Außerdem wird die mobile Härtemessung an Orten eingesetzt, die für klassische Anwendungen unzugänglich sind. So werden teilweise schwierig zu erreichende Messstellen bewältigt oder auch sehr große Bauteile sowie nicht ausbaubare Bauteile, die in verschiedenste Richtungen geprüft werden. Weiter sollte man eine große Bandbreite von Härtewerten messen können, von weichen bis harten Materialien. Die klassischen Messungen im Labor erfolgen im Regelfall an Referenzteilen, deren Ergebnisse dann der mobilen Prüfung zur Validierung des Prozesses dienen.

Schließlich muss die mobile Härtemessung schnell und effizient durchgeführt werden können, um möglichst kurze Wartungszeiten zu erreichen.

Hilfreiche Verfahren der mobilen Härtemessung für die Luftfahrt

Als wichtiges Verfahren sticht das UCI-Prüfverfahren (Ultrasonic Contact Impedance) hervor. Es wertet einen Vickers-Härteprüfeindruck während der Belastung innerhalb von Sekundenbruchteilen elektronisch aus und zeigt ihn digital an. Durch die geringe Eindruckgröße und -tiefe gilt das Verfahren daher häufig als zerstörungsfrei.

Dabei ist die große Stärke der UCI-Messung gegenüber der optischen Vickers-Messung an Werkstücken der volle Materialkontakt bei der Ermittlung der Vickershärte. Gerade bei kleiner werdenden Messeindrücken (kleine Messkraft, hohe Härte) wird die Erfassung der diagonalen Längen bei der optischen Methode immer schwieriger.

Die UCI-Härtemessung kann relativ zur klassischen Vickers-Härtemessung sehr genau auf die Messaufgabe eingestellt werden. Sie wird zum „verlängerten Arm“ der klassischen Labor-Messtechnik in die Produktion bzw. in den Wartungsbereich. Eine Gerätejustierung auf Materialien mit abweichendem E-Modul (Kupfer, Aluminium, Chrom, etc.) ist einfach über eine Vergleichsmessung mit einer klassischen Härtemessmaschine möglich (HV, HRC, HB).

Wo lassen sich solche UCI-Lösungen zur mobilen Härtemessung finden?

Mit dem SONODUR 3 bietet die Firma FOERSTER ein mobiles UCI-Härteprüfgerät, das den vielseitigen Anforderungen eines flexiblen Einsatzes bei gleichzeitig hohem Maß an Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit entspricht. Das Gerät kann mit dem breitesten Portfolio an Sonden mit den Standardprüfkräften 10 N, 30 N, 49 N und 98 N (Handmess-Sonden) und 1 N, 3 N, 8,6 N (Motor-Mess-Sonden) eingesetzt werden. Verfügbar sind dabei klassische Handmess-Sonden in unterschiedlichen Ausführungen der Sondenspitzen, um auch tiefer liegende Messstellen wie beispielsweise in Bohrlöchern oder im Zahngrund eines Zahnrades zu erreichen. Motorsonden liefern auch bei hohen Härten eine maximale Reproduzierbarkeit der Messwerte durch ihre gleichförmige Kraftaufbringung und die einfache Anwendung mit speziellen Sondenfüßen auf ebenem und gekrümmtem Untergrund. Mittels Stahlstützrohr können auch die Zahnflanken an Zahnrädern mit kleinen Prüfkräften sicher gemessen werden. Stativsonden runden durch ihre spielfreie Führung von Hand-Mess-Sonden die Lösungen ab, die durch ihre geführte Bedienung eine Minimierung der Bedienerabhängigkeit erlauben.