AUTOMAT – Automatisierte zerstörungsfreie Charakterisierung anisotroper Werkstoffe
DLR
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Laufzeit: 2026 - 2029
Wie lassen sich Flugzeugstrukturen aus Faserverbundwerkstoffen schneller, präziser und vollautomatisch auf versteckte Schäden prüfen? Genau diese Frage beantwortet das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Projekt AUTOMAT (AUTOmated nondestructive characterization of anisotropic MATerials). Gemeinsam entwickeln das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung der Universität Augsburg (Prof. Dr. Markus Sause) ein neuartiges Verfahren zur automatisierten, zerstörungsfreien Prüfung von Composite-Bauteilen in der Luft- und Raumfahrt.
Laser-Ultraschall als Schlüsseltechnologie
Im Zentrum von AUTOMAT steht die Laser Excited Acoustics (LEA)-Technologie – ein berührungsloses Ultraschallverfahren, das von der österreichischen Firma XARION Laser Acoustics GmbH entwickelt und vertrieben wird. Beim Scannen eines Bauteils regen Laserpulse thermoelastische Ultraschallwellen an. Diese durchlaufen das Material und werden von einem hochempfindlichen optischen Mikrofon erfasst – entweder gegenüberliegend zum Laser oder auf derselben Seite des Bauteils. So lassen sich künstlich eingebrachte Delaminationen in Composite-Platten mit hoher Klarheit sichtbar machen und als sogenanntes C-Scan-Bild darstellen.
Von der qualitativen Inspektion zur quantitativen Bauteilcharakterisierung
In der industriellen Fertigung müssen geschulte Prüfer:innen bislang große Flächen von C-Scan-Bildern manuell auswerten, um Lage und Größe von Fehlstellen zu bestimmen – eine aufwendige und fehleranfällige Aufgabe, da reale Anzeigen selten so eindeutig ausfallen wie im Labor. Übliche Bewertungskriterien, etwa eine Amplitudenreduktion um 50 % (6 dB) gegenüber dem Referenzsignal bei einer Mindestgröße von 6 × 6 mm, gelten zwar seit Jahrzehnten in der Luftfahrtindustrie, wurden jedoch eher pragmatisch als physikalisch fundiert festgelegt.
Entscheidend für die strukturelle Integrität eines Bauteils ist jedoch nicht allein die Sichtbarkeit eines Fehlers im Bild, sondern die tatsächliche mechanische Wirkung – beschrieben durch den Steifigkeitstensor Cij. Dieser gibt an, welchen Widerstand ein Material einer Verformung unter Last entgegensetzt, und hängt bei anisotropen Werkstoffen von der Belastungsrichtung ab. Über das Hookesche Gesetz lässt sich aus Cij die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung im Material ableiten – und da auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen direkt von Cij abhängt, lässt sich der Steifigkeitstensor grundsätzlich zerstörungsfrei aus Ultraschalldaten bestimmen.
Vom Labor zur industriellen Anwendung
Bisherige Verfahren zur Bestimmung von Cij über Wellengeschwindigkeitsmessungen funktionieren zuverlässig nur an kleinen Laborproben. AUTOMAT hebt diesen Ansatz auf industrielle Ebene: Ziel ist ein vollautomatisiertes, robotergestütztes LEA-Prüfsystem für die einseitige Inspektion großflächiger, mehrschichtiger, anisotroper Composite-Strukturen – etwa Flugzeugrümpfe oder Wasserstofftanks.
Durch Ultraschall-Datenerfassung aus verschiedenen Richtungen entstehen vollständige Steifigkeitstensor-Karten des Bauteils. Ein neuronales Netz, trainiert mit Ultraschalldaten von Proben mit bekanntem Cij (ermittelt durch Zug- und Scherversuche), verarbeitet die Ultraschallsignale (A-Scans) dabei in Echtzeit.
Warum AUTOMAT die Bauteilprüfung verändert
Im Unterschied zur klassischen, qualitativen Ultraschallprüfung – bei der farbige Bilder interpretiert werden müssen, ohne direkten Bezug zu den zugrunde liegenden mechanischen Eigenschaften – liefert AUTOMAT eine quantitative, KI-gestützte Charakterisierungsmethode. Das Ergebnis: schnellere, objektivere und belastbarere Aussagen über die strukturelle Integrität von Faserverbundbauteilen in der Luft- und Raumfahrtindustrie.
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