ABS Ultraschall-Scantechnologie erhöht Sicherheit bei Schiffsrumpfinspektionen

Ein Markt, den ABS Group mit seiner Ultraschall-Scantechnologie für Verbundwerkstoffe anspricht, ist die Bootsreparaturbranche, wo sie Schäden oder Defekte bewerten kann, die an der Oberfläche nicht sichtbar sind. (Bild: Getty Images)

Vom Raumschiff zum Schiffsrumpf: Technologietransfer

Als die gemeinnützige American Bureau of Shipping (ABS) vor 160 Jahren gegründet wurde, um Leben und Eigentum auf See zu schützen, hatten Schiffsbauer noch nicht die Option von Glasfaser. Glücklicherweise hat sich die Technologie zur besseren Sicherheit von Seeschiffen seither enorm weiterentwickelt – nicht zuletzt, weil der Mensch zu einer raumfahrenden Spezies geworden ist.

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

Ein roher Ultraschallscan eines Blocks Avcoat, dem Epoxidharz auf dem Hitzeschild des Orion-Raumschiffs, liefert kaum nützliche Informationen (oben). Durch umfangreiche Signalverarbeitung, die Aerospace Corporation für die NASA entwickelte, lassen sich jedoch Defekte wie eine fehlende Verbindung und ein „Kissing Unbond“ – eine Stelle, an der die Oberflächen aufeinandertreffen, aber nicht miteinander verbunden sind – detektieren (unten). (Bild: NASA)

Herausforderung: Verbundwerkstoffe dämpfen Schall

Schiffe ab etwa 53 Metern (175 Fuß) benötigen die Festigkeit eines Metallrumpfs. Da Metall Schall gut leitet, können diese mit herkömmlichem Ultraschallscan inspiziert werden, der hochfrequenten Schall in das Material sendet und Schäden durch Unregelmäßigkeiten in den zurückkehrenden Echos detektiert. Kleinere Schiffe können mit Verbundwerkstoffrümpfen Gewicht sparen, oft aus Lagen aus Glasfaser, Epoxidharz oder Kohlefaser, doch diese Materialien absorbieren und dämpfen Schall, was ihre Bewertung mit Ultraschalltechnik erheblich erschwert.

„Wir haben Branchen untersucht, die bereits fortgeschrittener in der Defekterkennung in nichtmetallischen Materialien waren, und die Luft- und Raumfahrtindustrie führt diesen Sektor wirklich an“, sagte Nick Obando, Director of Asset Integrity Management bei ABS Group.

NASA's Orion-Hitzeschild: Kritische Verbindungslinie

Die Gewichtsersparnis durch Verbundwerkstoffe sowie zuverlässige Inspektionen zur Gewährleistung der Sicherheit zählen zu den höchsten Prioritäten für NASA und andere Raumschiffdesigner. Als die Raumfahrtbehörde eine neue Konstruktionsmethode für den Hitzeschild des Orion-Moduls wählte, benötigten ihre Ingenieure eine Inspektionstechnik, die dessen Integrität garantieren konnte. Sie wandten sich an das gemeinnützige F&E-Unternehmen Aerospace Corporation, um eine neue Ultraschalltechnologie für die Prüfung von Verbundwerkstoffen zu entwickeln – eine, die sich auch für die Bedürfnisse von ABS Group und dessen kleinere, leichtere Klientel als passend erwies.

Ein potenzieller Markt für die Inspektion von Verbundwerkstoffen liegt in Offshore-Plattformen, wo beschädigte Verbundwerkstoff-Druckbehälter eine Gefahr darstellen und Verbundwerkstoffe Rohre und Aufbauten besser reparieren könnten, gäbe es einen Weg, ihre Integrität zu testen. (Bild: Getty Images)

Orion ist das Raumschiff, das in den kommenden Jahren im Rahmen von NASAs Artemis-Missionen Astronauten zum Mond und zurück bringen wird. Sein Hitzeschild muss es bei der Rückkehr schützen, wenn es mit Temperaturen von bis zu 5.000 °F (ca. 2.760 °C) durch die Erdatmosphäre streift. Der Schild sollte ursprünglich durch Einspritzen von Avcoat, einem leichten Epoxidharz, das bereits 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, weshalb NASA und Auftragnehmer Lockheed Martin entschieden, Blöcke aus Avcoat direkt auf die Basis des Schilds zu kleben.

„Dadurch schufen sie eine Situation, in der diese Klebeline kritisch wurde“, sagte William Prosser, Technical Fellow für Zerstörungsfreie Prüfung im NASA Engineering and Safety Center am Langley Research Center in Hampton, VA. „Und sie hatten keine gute Möglichkeit, sie zu testen, weil die Festigkeit der Verbindung größer war als die Festigkeit des Avcoat-Materials, sodass sie keine Zugtests wie bei den Shuttle-Kacheln durchführen konnten.“

Entwicklung der Ultraschalltechnologie

Das Engineering and Safety Center unterhält Expertennetzwerke, die über die NASA hinausreichen und zufällig Shant Kenderian, Director of Aerospace Corporation's Materials Processing Department und des Nondestructive Evaluation Laboratory des Unternehmens, einschließen.

Als Prosser 2015 Kenderian kontaktierte, experimentierte Aerospace Corporation bereits mit einer Technologie, die Potenzial zur Lösung des Problems hatte. Der frisch eingestellte Toby Case brachte fortschrittliche Scantechnologie mit, die er als Doktorand entwickelt hatte, und das Team demonstrierte, dass sie einen einfachen Spot-Check an einem Hitzeschild-Probenstück durchführen konnte. „Aber einen großflächigen Scan im Produktionsmaßstab durchzuführen, ist ein völlig anderes Level an Robustheit“, sagte Kenderian.

Techniker im Kennedy Space Center beenden das Aufkleben von Avcoat-Blöcken auf den Hitzeschild des Orion-Crew-Moduls. Um die Verbindung der Blöcke zum Schild zu prüfen, wandte sich NASA an Aerospace Corporation, um einen Ultraschallsensor zu entwickeln, der Defekte im oder unter dem Material trotz dessen Schallwiderstand erkennen kann. (Bild: NASA)

Es folgten zwei Jahre der Verfeinerung von Fokussierungs- und Signalverarbeitungstechniken sowie der Hardware, bis ein Benutzer einen großen Bereich von Verbundwerkstoffen per Hand scannen und ein klares Bild von Schäden oder Defekten unter der Oberfläche erhalten konnte. „All diese Signalverarbeitungstricks oder -schritte, die wir anwandten, verbesserten das Signal immer weiter, bis es klar wurde“, sagte Kenderian. „Dieses Entwicklungsniveau fand vollständig unter NASA-Förderung statt.“

NASA- und Lockheed-Martin-Ingenieure waren auch involviert, besonders als es an die Testung und Validierung der Technologie ging. „Und dann mussten wir das tatsächlich in ein System übersetzen, das am tatsächlichen Fluggerät im Kennedy Space Center von den Inspektoren verwendet werden konnte“, sagte Prosser. „Und das war eine weitere bedeutende Aktivität.“

Kommerzialisierung & Märkte

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

Er sagte, das Unternehmen ziele auf drei Hauptnutzerarten ab: Hersteller und Händler, die die Technologie für Qualitätssicherung nutzen können, und Reparaturwerkstätten, die Schäden oder Defekte bewerten müssen. „Es geht darum, alle beteiligten Parteien zu schützen, mit besserer Absicherung über die Integrität des Assets während und nach der Fertigung“, sagte Obando. Hersteller oder Händler können Qualität besser garantieren, und Kunden können mehr Vertrauen in ihren Kauf haben. Er merkte an, dass auch Versicherer einen Nutzen für diese gründlichen Inspektionen haben könnten.

Aber er sagte, das Unternehmen arbeite noch daran, weitere Nischen in der Bootsbranche und darüber hinaus zu bestimmen. „Wir sind begeistert von der Technologie“, sagte Obando. „Jetzt geht es wirklich darum, diese Begeisterung an unsere Kunden zu übertragen, um zu sagen: ‚Hey, wir denken, das könnte euch helfen, könnt ihr zeigen, wo es einen Use Case in dieser Branche gibt, die wirklich unterversorgt ist?‘“

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