Die Ultraschall-Scantechnologie von ABS erhöht die Sicherheit bei Schiffsrumpfinspektionen

Ein Markt, auf den die ABS Group mit ihrer Ultraschall-Scantechnologie für Verbundwerkstoffe abzielt, ist die Bootsreparaturindustrie, wo Schäden oder Defekte beurteilt werden können, die an der Oberfläche nicht sichtbar sind. (Bild:Getty Images)

Als vor 160 Jahren das gemeinnützige American Bureau of Shipping (ABS) gegründet wurde, um Leben und Eigentum auf See zu schützen, hatten Schiffbauer keine Option auf Glasfaser. Glücklicherweise hat die Technologie, die dazu beiträgt, die Sicherheit von Seeschiffen besser zu gewährleisten, in dieser Zeit auch große Fortschritte gemacht, unter anderem weil der Mensch zu einer raumfahrenden Spezies geworden ist.

Die ABS Group of Companies Inc. aus Spring, TX, eine ABS-Tochtergesellschaft, die Risikomanagementlösungen anbietet und technische Dienstleistungen für die Schifffahrt auf kleinere Schiffe wie Yachten und Fischerboote ausdehnt, hat nun eine Technologie übernommen, die zur Inspektion des Hitzeschilds des NASA-Raumschiffs Orion entwickelt wurde, und bietet sie zur Bewertung von Schiffsrümpfen aus fortschrittlichen Verbundwerkstoffen an.

Ein Roh-Ultraschallscan eines Avcoat-Blocks, dem Epoxidharz auf dem Hitzeschild des Orion-Raumfahrzeugs, liefert wenig nützliche Informationen (oben). Die umfangreiche Signalverarbeitung, die Aerospace Corporation für die NASA entwickelt hat, ist jedoch in der Lage, Defekte wie eine fehlende Bindung und einen „Kissing Unbond“ zu erkennen – eine Stelle, an der die Oberflächen aufeinandertreffen, aber nicht miteinander verbunden sind (unten). (Bild:NASA)

Schiffe, die länger als etwa 175 Fuß sind, erfordern die Festigkeit eines Metallrumpfs. Da Metall Schall leicht leitet, können diese mithilfe herkömmlicher Ultraschallscans überprüft werden, die hochfrequenten Schall in das Material senden und Schäden erkennen, indem sie Unregelmäßigkeiten in den zum Gerät zurückgesandten Echos erkennen. Kleinere Schiffe können mit Verbundrümpfen, die häufig aus Glasfaser-, Epoxidharz- oder Kohlefaserschichten bestehen, Gewicht sparen. Diese Materialien absorbieren und dämpfen jedoch Schall, was eine Bewertung mit Ultraschalltechnologie erheblich erschwert.

„Wir haben uns Branchen angesehen, die in ihrer Fähigkeit, Fehler in nichtmetallischen Materialien zu erkennen, bereits weiter fortgeschritten sind, und die Luft- und Raumfahrtindustrie ist in diesem Sektor wirklich führend“, sagte Nick Obando, Director of Asset Integrity Management bei der ABS Group.

Die Gewichtseinsparungen durch Verbundwerkstoffe sowie zuverlässige Inspektionen zur Gewährleistung der Sicherheit gehören zu den allerhöchsten Prioritäten für die NASA und andere Raumfahrzeugkonstrukteure. Als die Raumfahrtbehörde eine neue Konstruktionsmethode für den Hitzeschild des Orion-Moduls wählte, benötigten ihre Ingenieure eine Inspektionstechnik, die dabei helfen konnte, seine Integrität zu gewährleisten. Sie wandten sich schließlich an das gemeinnützige Forschungs- und Entwicklungsunternehmen Aerospace Corporation, um eine neue Ultraschalltechnologie zur Untersuchung von Verbundwerkstoffen zu entwickeln – eine, die auch den Anforderungen der ABS Group und ihrer kleineren, leichteren Kunden gerecht werden sollte.

Ein potenzieller Markt für die Inspektion von Verbundwerkstoffen sind Offshore-Plattformen, wo beschädigte Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen eine Gefahr darstellen können und Verbundwerkstoffe Rohre und Strukturen auf der Oberseite besser reparieren könnten, wenn es eine Möglichkeit gäbe, ihre Integrität zu testen. (Bild:Getty Images)

Orion ist das Raumschiff, das in den kommenden Jahren im Rahmen der Artemis-Missionen der NASA Astronauten zum Mond und zurück befördern wird. Sein Hitzeschild wird es bei seiner Rückkehr schützen, während es durch die Erdatmosphäre rast und Temperaturen von bis zu 5.000 °F erzeugt. Der Schild sollte ursprünglich durch Einspritzen von Avcoat, einem leichten Epoxidharz, das zuvor für den Hitzeschild der Apollo-Kapsel verwendet wurde, in die Zellen einer Wabenstruktur hergestellt werden. Als jedoch ein Testschild gebaut wurde, bildeten sich an einigen Nähten Risse, sodass die NASA und der Auftragnehmer Lockheed Martin beschlossen, Avcoat-Blöcke direkt auf die Basis des Schildes zu kleben.

„Damit haben sie eine Situation geschaffen, in der diese Verbindungslinie nun kritisch wurde“, sagte William Prosser, technischer Mitarbeiter für zerstörungsfreie Bewertung im NASA Engineering and Safety Center am Langley Research Center der Agentur in Hampton, VA. „Und sie hatten keine gute Möglichkeit, es zu testen, weil die Festigkeit der Bindung größer war als die Festigkeit des Avcoat-Materials, sodass sie keine Zugtests an ihnen durchführen konnten, wie sie es mit Shuttle-Fliesen taten.“

Das Engineering and Safety Center unterhält Expertennetzwerke, die über die NASA hinausgehen und zu denen auch Shant Kenderian, Direktor der Materialverarbeitungsabteilung der Aerospace Corporation und des Nondestructive Evaluation Laboratory des Unternehmens gehört.

Als Prosser sich 2015 an Kenderian wandte, beschäftigte sich die Aerospace Corporation bereits mit einer Technologie, die das Potenzial hätte, das Problem zu lösen. Der kürzlich eingestellte Toby Case hatte eine fortschrittliche Scantechnologie mitgebracht, die er als Doktorand entwickelt hatte, und das Team demonstrierte, dass damit eine einfache Stichprobenprüfung an einer Hitzeschildprobe durchgeführt werden konnte. „Aber einen großen Scan im Produktionsmaßstab durchzuführen, das ist ein völlig anderes Maß an Robustheit“, sagte Kenderian.

Techniker im Kennedy Space Center tragen Blöcke aus Avcoat, einem leichten Epoxidharz, auf den Hitzeschild des Orion-Besatzungsmoduls auf. Um die Verbindung der Blöcke mit dem Schild zu untersuchen, wandte sich die NASA an die Aerospace Corporation, um einen Ultraschallsensor zu entwickeln, der trotz seiner Schallbeständigkeit Defekte im oder unter dem Material erkennen konnte. (Bild:NASA)

Es folgten zwei Jahre der Verfeinerung der Fokussierungs- und Signalverarbeitungstechniken und sogar der Hardware, bis ein Benutzer einen großen Bereich von Verbundmaterialien per Hand scannen und ein klares Bild aller Schäden oder Defekte unter der Oberfläche erhalten konnte. „All diese Signalverarbeitungstricks oder -schritte, die wir angewendet haben, haben das Signal mit jedem Schritt mehr und mehr verbessert, bis es klar wurde“, sagte Kenderian. „Dieses Entwicklungsniveau wurde alles durch die Finanzierung durch die NASA erreicht.“

Auch Ingenieure der NASA und von Lockheed Martin waren an den Bemühungen beteiligt, insbesondere als es an der Zeit war, die Technologie zu testen und zu validieren. „Und dann mussten wir das tatsächlich in ein System übersetzen, das von den Inspektoren auf der tatsächlichen Flughardware im Kennedy Space Center verwendet werden konnte“, sagte Prosser. „Und das war eine weitere bedeutende Aktivität.“

Die Aerospace Corporation erhielt Ende 2019 ein Patent auf die Technik, und es dauerte nicht lange, bis die ABS Group anrief, die Technologie Anfang 2021 lizenzierte und sie im folgenden Jahr als kommerzielle Dienstleistung herausbrachte. „Soweit ich weiß, sind wir die ersten, die der maritimen Industrie eine echte Fähigkeit zur Bewertung der Dicke dieser nichtmetallischen Verbundwerkstoffe bieten“, sagte Obando.

Er sagte, das Unternehmen ziele hauptsächlich auf drei Benutzertypen ab:Hersteller und Einzelhändler, die beide die Technologie zur Qualitätssicherung nutzen können, und Reparaturwerkstätten, die Schäden oder Mängel beurteilen müssen. „Es geht darum, alle beteiligten Parteien zu schützen und die Integrität des Vermögenswerts während der Herstellung und nach der Herstellung besser zu gewährleisten“, sagte Obando. Der Hersteller oder Wiederverkäufer kann die Qualität besser garantieren und die Kunden können mehr Vertrauen in ihren Kauf haben. Er wies auch darauf hin, dass diese gründlichen Inspektionen für Versicherer von Nutzen sein könnten.

Aber er sagte, das Unternehmen arbeite immer noch daran, andere Nischen zu finden, die es in der Bootsbranche und darüber hinaus füllen könne. „Wir sind von der Technologie begeistert“, sagte Obando. „Jetzt geht es also wirklich darum, diese Begeisterung auf unsere Kunden zu übertragen, indem sie sagen:‚Hey, wir denken, das könnte Ihnen helfen. Können Sie uns zeigen, wo es in dieser Branche einen Anwendungsfall dafür gibt, der wirklich unterversorgt ist?‘“

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