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Organisationseinheit der BAM
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Eine Arbeitsgruppe der BAM in der Abteilung für Zerstörungsfreie Prüfung forscht seit 2011 an verschiedenen technischen Fragestellungen, die sich aus dem thermografischen Lösungsansatz ergeben. Zum Beispiel werden spezielle Prüfkörper aus GFK im Labor unter dem Gesichtspunkt untersucht, inwieweit (materielle) innere Strukturen und äußerlich nicht sichtbare Schäden mit Thermografie offenbart werden können. Hierbei werden verschiedene Anregungs- und Auswertungstechniken auf ihre Eignung für diese Problemstellung untersucht. Der folgende Beitrag erläutert einige technische Schwierigkeiten bei der praktischen Anwendung der geplanten Inspektionsmethode und stellt einen erfolgversprechenden Lösungsansatz vor.
Sandwich-Schalenstrukturen in situ charakterisiert mit Thermographie und Felddehnungsmessungen
(2018)
An der BAM wurde ein Schalenprüfstand entwickelt, mit dem typische Sandwichschalenstrukturen unter simulierter Betriebsbeanspruchung belastet werden können. Im mechanischen Ermüdungsversuch wurden in situ die Entstehung von Schäden in Schalenprüfkörpern mit Test-Imperfektionen mittels der passiven Thermographie und Felddehnungsmessungen verfolgt. Damit konnten der Zeitpunkt, der Schadensursprung und der Schadensfortschritt zerstörungsfrei bestimmt werden. Zudem wurden vergleichend Schalenprüfkörper mit Luftultraschall und der Röntgen-Laminographie untersucht. Im Rahmen eines BMWi-Forschungsvorhabens wurden die Schädigungsmechanismen evaluiert und Empfehlungen für die Praxis der Fertigung von Rotorblättern abgeleitet. In diesem Beitrag wird sich auf die Darstellung der ZfP-Verfahren und der ZfP-Ergebnisse konzentriert.
In den Blattschalen von Rotorblättern von Windenergieanlagen (WEA) bilden sich häufig weit vor der projektierten Lebensdauer von 20 Jahren Risse aus. Durch Witterungseinflüsse kommt es zum Schadenfortschritt. Die Folge sind der Stillstand der Anlage und kostenintensive Reparaturen am Turm oder der komplette Austausch der Rotorblätter. Als eine mögliche Ursache der Rissentstehung und des Risswachtums gelten fertigungsbedingte Imperfektionen. Aufgrund der Effizienz werden Komponententests mit repräsentative Schalensegmenten und –ausschnitten von Rotorblättern angestrebt. Für diese Untersuchungen wurde ein Versuchsstand für die Prüfung von Schalenstrukturen konstruiert und an der BAM betrieben. Mit dem Versuchsstand kann der Einfluss von fertigungsbedingten Imperfektionen auf die Rissentstehung und das Risswachstum untersucht werden. In dem Prüfstand werden gekrümmte Sandwichschalen mit eingebrachten Imperfektionen (z.B. Schaumstöße, Laminatabstufungen) unter schwellender Druckbelastung untersucht. Die aufgebrachte Last entspricht realistischen Belastungsniveaus (z. B. 50 Jahres Böe) von Rotorblättern. Die in situ Zustandsüberwachung erfolgt kombiniert mittels Thermografie und der optischen 3 D Felddehnungsmessungen. Mit dem optischen 3 D Felddehnungssystem (ARAMIS) werden die In- und Out-Off-Plane Verformungen der Sandwichschale unter der zyklischen Schwingbelastung detektiert. Die zerstörungsfreie Detektion der Werkstoffermüdung (z.B. Risse) in den Schalenprüfkörpern infolge der zyklischen Beanspruchung erfolgt mittels begleitender passiver Thermografie. Mit den durchgeführten Versuchen konnte der Einfluss der unterschiedlichen fertigungsbedingten Imperfektionen auf die Betriebsfestigkeit der Sandwich Schalenprüfkörper herausgestellt werden. Aus diesen Erkenntnissen wurden für den Rotorblattbau Design Hinweise abgeleitet. Weiterhin wurde in den Versuchen die Eignung der kombinierten Zustandsüberwachung für die Detektion der Verformungsänderungen, Schadensentstehung und dem Schadensfortschritt nachgewiesen. Die kombinierte Zustandsüberwachung mittels Thermografie und der optischen 3 D Felddehnungsmessung eignet sich sehr gut zur Schadensdetektion von Sandwichstrukturen unter Schwingbeanspruchung.
Influence of the real energy input on the sensitivity of thermographic testing in case of GFRP
(2018)
Thermographic testing (TT) is an upcoming nondestructive method, which requires no contact at all to the specimen and can be applied on larger areas simultaneously. The measurement concept is based on the production of a thermal imbalance at the surface of the object under test. When the surface of this object is heated by an external source for a certain time, the surface temperature drops subsequently, influenced by inner defects of the sample. This leads to thermal contrasts at the surface. It is crucial that those contrasts are large enough to be detectable above the noise level. In a first approximation, the observed temperature contrast at a defect is proportional to the energy which was really introduced into the specimen during the heating period. However, the real energy input in a TT experiment is almost always unknown due to distinct parameters of the experimental setup or the material investigated. Typically, only the power consumption of the heating sources is reported, sometimes combined with the distance to the specimen surface.
This contribution describes the thermographic inspection of a rear side thickness variation from 1 to 2 cm at GFRP. This could represent a rear side adhesive bond i.e. in a wind turbine rotor blade. The front side heating was realized by usual halogen lamps with variable radiation power. The detected temperature contrast at the front side will be related to the different energy inputs determined by means of a simple analytical model applied to the experimental data. Additionally, the experimental data are compared with results of FEM simulations performed by COMSOL Multiphysics.
The results clearly demonstrate the key role of the real energy input in a real TT setup, if detection limits have to be evaluated.
Thermografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren ist prinzipiell gut geeignet, um innen liegende Fehler in Rotorblättern zu detektieren. Im Vortrag wird die Anwendbarkeit des Messprinzips zuerst theoretisch und dann an Hand von Praxisfällen gezeigt. Weiterhin werden erste Ergebnisse aus einem laufenden FuE-Projekt zur Tiefenreichweite der Messmethode demonstriert und erläutert.