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Aktive Thermografie wird zunehmend für die zerstörungsfreie Prüfung insbesondere von dünnwandigen Bauteilen eingesetzt. Neben der Ortung und der Bestimmung der lateralen Ausdehnung von Fehlstellen und Inhomogenität in der Ebene parallel zur Oberfläche sind in den Messdaten auch Informationen über die Tiefe bzw. Überdeckung von Fehlstellen enthalten. In der Vergangenheit wurden verschiedene analytische Ansätze zur Rekonstruktion dieser Tiefeninformationen umgesetzt:
- Bestimmung der Blindfrequenz über die Phaseninformationen der Puls-Phasen-Thermografie
- Bestimmung des Phasenkontrastes bei der Lockin Thermografie
- Bestimmung der Fehlstellentiefe mittels Thermal Signal Reconstruction (TSR), d. h. aus dem
doppeltlogarithmisch dargestellten zeitlichen Verlauf der Abkühlung nach impulsartiger Erwärmung
Nachteil aller bisherigen analytischer Verfahren basierend auf eindimensionalen Modellen ist, dass der Einfluss lateraler Wärmeleitungseffekte nicht berücksichtigt wird. Dieser kann jedoch bei kleineren Fehlstellen nicht mehr vernachlässigt werden, wozu bisher jedoch nur teilempirische Ansätze realisiert wurden. Erst numerische Rekonstruktionsverfahren ermöglichen eine Rekonstruktion auch komplexerer Defektgeometrien unter Berücksichtigung lateraler Wärmeleitungsprozesse sowie anisotroper thermischer Materialeigenschaften. In diesem B
eitrag werden die verschiedenen Ansätze in der 3D-Datenanalyse der aktiven Thermografie miteinander verglichen und die Möglichkeiten und Grenzen der Verfahren vorgestellt.
The principle of a low-cost but nevertheless powerful POF elongation sensor has already been described in the recent years [1, 2, 3]. The measurement of the phase shift of a signal of a modulated light source which is coupled into two different POF, one being stretched, yields information of the elongation with a resolution of up to 10-5. Analyzing the temporal or frequency behaviour of the signal gives additional information. Since the phase measurement can allow for frequencies up to 2 GHz, the vibrational analysis of macroscopic structures can be extended to several kHz very easily, limited mainly by the signal processing electronics. Thus we processed data of a sensing system applied to a 39 m rotor blade of a wind power generator and could resolve the various frequencies related to different exciting conditions, e.g. the appearance of a beat signal when the blade was externally excited by a mechanical system with a frequency close but not identical to the Eigen frequency of the blade.
Die Methoden der Sicherheitsbeurteilung von Druckgefäße aus Verbundwerkstoffen werden zunehmend verfeinert, um Material und damit auch Kosten sparen zu können. So steht auch der Mindestberstdruck als eine der Basisforderungen in den relevanten Normen in der Diskussion. Im Beitrag wird dargestellt, wie die Anforderungen nach Norm unter Berücksichtigung der realen Streuung der Festigkeitseigenschaften nach dem Kriterium einer Mindestzuverlässigkeit prinzipiell zu bewerten sind. Im Ergebnis wird abgeleitet, dass eine quantitative Reduzierung bei Beibehaltung des Charakters der Anforderung sicherheitstechnisch bedenklich ist. Der Ansatz, die Sicherheit von Composite-Druckgefäßen nach dem Kriterium eines Mindestberstdrucks anhand einzelner Prüfmustern nachzuweisen, ist weder eine notwendige noch eine hinreichende Bedingung für ein sicheres Baumuster. Das Potenzial zur Materialeinsparung kann nur durch Umstellung der Sicherheitsnachweise auf ein probabilistisches Verfahren genutzt werden.
Moderne Leichtbaustrukturen (Luftfahrt, Eisenbahn, Automotive) aus Faserverbundwerkstoffen (FVW) sind hohen mechanischen und klimatischen Beanspruchungen ausgesetzt. Aussagen über die Lebensdauer und Funktionssicherheit der FVW-Bauteile können eher aus Untersuchungen der mikromechanischen Eigenschaften gewonnen werden als aus der globalen Festigkeit. Die Röntgenrefraktionstopografie ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung von inneren Oberflächen in Werkstoffen. Angewendet auf FVW lassen sich Aussagen über die Faserorientierungen, die Fertigungsqualität sowie über Faser-Matrix-Ablösungen und Matrixrisse infolge mechanischer Beanspruchung gewinnen. Nachfolgend wird ein neues Verfahren zur Bestimmung des Zwischenfaserbruchversagens am komplexen Laminat vorgestellt. Hierbei wird das Röntgenrefraktionsverfahren "online bei Zug-Belastung der Probe angewendet.
Die aktuelle Praxis, auch die wiederkehrende Prüfung von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen primär auf die hydraulische Innendruckprüfung abzustellen, ist sowohl im Hinblick auf die Schädigung der Prüfmuster als auch ihrer Aussagekraft kritisch zu bewerten. Daher bringt die BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung zur Absicherung bei der Zulassung von Prüffristen für Composite-Druckgefäße, die älter als fünf Jahre sind, einen neuen Ansatz zur Anwendung. Er ermöglicht eine Zustandsbeschreibung der Population eines Baumusters auf der Basis wiederholt betriebsbegleitend zerstörender Prüfungen. Ein wesentlicher Aspekt dieses Ansatzes ist die Prognose der sicheren Restlebensdauer. Hierbei stellt der Effekt des übermäßigen Verlusts an hydraulischer Lastwechselfestigkeit im Sinne einer Degradation der Festigkeit einen kritischen Punkt in der Prognose der Sicherheit bis zum Lebensdauerende dar.
Die aktuelle Praxis, auch die wiederkehrende Prüfung von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen primär auf die hydraulische Innendruckprüfung abzustellen, ist sowohl bezüglich der Schädigung der Prüfmuster als auch ihrer Aussagekraft kritisch zu bewerten. Entsprechend kommt durch die BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung zur Absicherung bei der Zulassung von Prüffristen für Composite-Druckgefäßen von mehr als fünf Jahren ein neuer Ansatz zur Anwendung. Er ermöglicht eine Zustandsabschätzung der Population eines Baumusters auf der Basis wiederholt betriebsbegleitend zerstörender Prüfungen. Ein wesentlicher Aspekt dieses Ansatzes ist die Prognose der sicheren Restlebensdauer. In Fällen, in denen diese nicht wie in den Teilen 1 und 2 beschrieben mittels hydraulischer Lastwechselprüfungen abgeschätzt werden kann, bleiben als Ersatz die Zeitstands- oder die Berstprüfung. Als Kombination aus diesen beiden Prüfungen schlägt die BAM die 'langsame Berstprüfung' vor. Zu diesem Prüfkonzept werden zahlreiche Ergebnisse dargestellt. Hierzu werden sowohl die Parameter der Prüfung wie auch die Art und Intensität der Vorschädigung künstlich gealterter Prüfmuster statistisch ausgewertet. Dies führt zum einen zu einer Bewertung der verschiedenen Belastungsarten aber auch zu der eindeutigen Empfehlung, die heute üblicherweise schnellen Berstprüfungen zum Nachweis der Festigkeit von Composite-Druckgefäßen am besten ganz zu ersetzen.
Der Umfang der durch Impacts in Faserverbundmaterialien erzeugten Schäden ist abhängig von der Energie des Impacts, von der Zusammensetzung und dem Aufbau der Faserverbundwerkstoffe und von der Geometrie der Bauteile und hier im Wesentlichen von der Dicke des Bauteils. Der zerstörungsfreie Nachweis dieser Schädigungen kann sowohl mit Ultraschallverfahren als auch mit Verfahren der aktiven Thermografie erfolgen. Ein Vergleich der Nachweisempfindlichkeiten dieser Verfahren für die unterschiedlichen Schädigungen wird in diesem Beitrag in Abhängigkeit vom verwendeten Faserverbundwerkstoff (CFK und GFK), der Dicke des Materials und von der Impactenergie durchgeführt. Ergänzt werden die im Anschluss an die Schädigung eingesetzten ZfP-Verfahren mit zeitlich hochaufgelösten Thermografiemessungen, die bereits während des Impacts aufgenommen wurden.
Der Umfang der durch Impacts in Faserverbundmaterialien erzeugten Schäden ist abhängig von der Energie des Impacts, von der Zusammensetzung und dem Aufbau der Faserverbundwerkstoffe und von der Geometrie der Bauteile und hier im Wesentlichen von der Dicke des Bauteils. Der zerstörungsfreie Nachweis dieser Schädigungen kann sowohl mit Ultraschallverfahren als auch mit Verfahren der aktiven Thermografie erfolgen. Ein Vergleich der Nachweisempfindlichkeiten dieser Verfahren für die unterschiedlichen Schädigungen wird in diesem Beitrag in Abhängigkeit vom verwendeten Faserverbundwerkstoff (CFK und GFK), der Dicke des Materials und von der Impactenergie durchgeführt. Ergänzt werden die im Anschluss an die Schädigung eingesetzten ZfP-Verfahren mit zeitlich hochaufgelösten Thermografiemessungen, die bereits während des Impacts aufgenommen wurden.
Der Vortrag gibt einen Überblick über aktuelle Möglichkeiten zur Integration von sensorischen Funktionen in Leichtbauwerkstoffe, mit Fokus auf Faserverbundkunststoffe (FVK). Neben den unterschiedlichen Arten der eingesetzten Sensoren werden auch deren Arbeitsweisen, Anwendungsbereiche und Anwendungsbreiten erläutert. Es erfolgt eine Diskussion der Auswirkungen der Integration von Sensoren in die Bauteilstruktur und daraus abgeleitet eine Betrachtung der Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden.
Das lernen die Teilnehmer im Vortrag:
Integration von Sensoren in Faserverbundstrukturen
Anwendungen von Sensorik
Auswirkungen der Funktionsintegration auf die Composite
Ein wesentlicher Aspekt der Prognose der sicheren Restlebensdauer ist die möglichst differenzierte Erfassung von Restfestigkeiten. In Fällen, in denen diese nicht mittels hydraulischer Lastwechselprüfungen abgeschätzt werden kann, bleiben als Ersatz die Zeitstands- oder die Berstprüfung. Als Kombination aus diesen beiden Prüfungen schlägt die BAM die langsame Berstprüfung vor. Die Vielzahl von bereits veröffentlichten Ergebnissen zu diesem Prüfkonzept werden hier um die Werte der extrem langsamen Berstprüfung (ca. 1 000 h kontinuierlicher Druckanstieg) ergänzt. Dies führt zu der eindeutigen Empfehlung, die heute üblicherweise schnellen Berstprüfungen zum Nachweis der Festigkeit von Composite-Druckgefäßen am besten ganz durch die langsame Berstprüfung zu ersetzen.
Composite-Druckgefäße kommen auch in Atemschutzgeräten als persönliche Schutzausrüstung (PSA) zunehmend zum Einsatz und sind dabei außergewöhnlich rauen Betriebsbedingungen ausgesetzt. Da diese durch die angewendeten Normen nominell nicht umfassend abgedeckt sind, wurden die End-of-Life-Restfestigkeiten untersucht. Die untersuchten drei Stichproben bestehen aus je 25 im Feuerwehrbetrieb über 15 Jahre gealterten Composite-Atemluftflaschen eines Baumusters. Mit diesen Restfestigkeitsuntersuchungen wird am Beispiel den Fragen nachgegangen, ob dieses Baumuster statistisch eine ausreichende Sicherheit am Lebensende aufweist und welche Verteilungsfunktionen die Ergebnisse am besten beschreiben. Methodisch kommen für die Prüfung eine konventionelle Berstprüfung, das Konzept der BAM für eine langsamen Berstprüfung und die hydraulische Lastwechselprüfung zur Anwendung. Das Ergebnis zeigt für das Baumuster hinreichende Sicherheit; aber auch die besondere Bedeutung der sog. Frühausfälle für die Statistik und den Bedarf an einer entsprechend auf die Frühausfälle ausgerichteten, zerstörungsfreien Prüfmethode.
Die aktuelle Praxis, die Sicherheit von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen auf der Basis von Mindestwerten einzelner Prüfmuster zu bewerten, ist hinsichtlich ihrer Aussagekraft kritisch zu bewerten. Entsprechend wird nach einem Ansatz gesucht, eine aussagekräftige Zustandsbeschreibung der Population eines Baumusters zu erhalten. Für die Berst- und Lastwechselprüfungen wird ein statistischer Ansatz vorgestellt, der eine absolute Zuverlässigkeitsaussage auf Basis von Stichprobenergebnissen erlaubt. Wie hier ausführlich dargestellt wird, ist der Stichprobenumfang von wesentlicher Bedeutung für die Erarbeitung quantitativer Wahrscheinlichkeitsaussagen.
Die Verwendung von Verbundwerkstoffen ist nicht nur mit den Vorteilen einer Gewichtsreduzierung und einer verbesserten strukturellen Leistung verbunden, sondern auch mit der Gefahr von kaum sichtbaren Impakt- oder Herstellungsschäden. Eine der vielversprechenden Methoden zur Erkennung und Charakterisierung solcher Schäden basiert auf der Ausbreitung und Analyse geführter Ultraschallwellen. Der multimodale und dispersive Charakter dieser Wellen erschweren jedoch die Analyse. Verschiedene Signalverarbeitungsmethoden wurden vorgeschlagen, um die Interpretation von Signalen und die Extraktion der notwendigen Informationen über den Schaden zu erleichtern. Eine davon ist die Erstellung einer Wellenzahlkarte. Die Wellenzahlkarte erlaubt es jeden Punkt in einer hochaufgelöste Wellenfeldaufnahme eine Wellenzahl zuzuordnen. Diese Methode ermöglicht sowohl die Quantifizierung der Größe als auch der Tiefe des Schadens.
In diesem Beitrag wird diese Bildgebungsmethode auf delaminierte Aluminium-CFK-Verbundstrukturen angewendet. Solche Strukturen entsprechen den umwickelten Druckbehältern, die zur Speicherung von Gasen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie verwendet werden. Zunächst werden die numerischen Untersuchungen zur einfachen Delamination in unterschiedlicher Tiefe vorgestellt. Als nächstes wird die Analyse von experimentellen Ergebnissen von einer geschädigten Aluminium-CFK-Platte präsentiert. Das Ergebnis der Bildgebung ist eine dreidimensionale Darstellung, die sowohl die Größe als auch die Tiefe des Impakt-Schadens liefert.
Die Befragung zur Bestimmung relevanter Defekte in Faserverbundwerkstoffen im Rahmen des VITCEA-Projektes wird vorgestellt. Die so erhaltene "Hitparade" der Defekte kann als Ausgangspunkt für einen Fehlerkatalog dienen. Außerdem wird über die Herstellung von Überlastdefekten berichtet, welche sich an bestehende Normen (teilweise aus anderen Bereichen) anlehnt
In dem aktuell laufenden EU-Projekt HyComp wurde das bereits
beim 18. Kolloquium Schallemission vorgestellte Verfahren zur Qualitätssicherung
von Faserverbund-Druckbehältern mittels Schallemissionsprüfung an weiteren
Baumustern zweier verschiedener Behältertypen getestet.
Die vorgestellte Methodik beruht auf Merkmalen und zulässigen Grenzwerten,
die aus Schallemissionsverläufen bei der Erstdruckprüfung (Druckbehälter mit
Kunststoffliner) bzw. dem Autofrettageprozess (Druckbehälter mit metallischem
Liner) eines Baumusters abgeleitet werden.
Es wird an einer Anzahl Druckbehälter aus der Serienproduktion eine
Referenzkurve mit den mittleren Merkmalswerten und deren Streuung ermittelt.
Damit ist das Verfahren zur Druckprüfung dieses Baumusters anwendbar.
Um die Zuverlässigkeit des Verfahrens zu untersuchen, wurden Druckbehälter
mit bewusst eingebrachten künstlichen Fertigungsfehlern untersucht.
Alle geprüften Behälter wurden im Anschluss an die SE-Druckprüfung
zerstörend geprüft, um Aussagen über die Auswirkungen der eingebrachten Fehler
im Vergleich zu den Behältern aus der normalen Produktion treffen zu können.
In dem genannten EU- Projekt wurde das Verfahren an den beiden in der
Automobilindustrie gängigen Behältertypen getestet, in einem Fall auch unter
Fertigungsbedingungen beim Hersteller.
Die Zahl der industriellen Anwendungen mit Einsatz von Faserverbundwerkstoffen wächst kontinuierlich vor allem wegen der exzellenten Materialeigenschaften und des geringen Gewichtes dieses Werkstoffes. Entsprechend steigen die Anforderungen an zerstörungsfreie Prüfsysteme zur Gewährleistung des sicheren Betriebes von Komponenten und Strukturen bestehend aus Verbundwerkstoffen.
Im Rahmen des EU-Projekes VITCEA (Validated Inspection Techniques for Composites in Energy Applications) wird das Ziel verfolgt, neue Prüfverfahren für moderne Verbundwerkstoffe zu entwickeln und zu validieren. Im Vordergrund steht hierbei als Applikation im Industriesektor Energieversorgung die Prüfung von sicherheitsrelevanten Komponenten von onshore und offshore Windkraftanlagen, wie z.B. deren Rotorblätter und tragende Strukturen.
Eine Teilaufgabe innerhalb des Projektes stellen der Vergleich und die Validierung verschiedener Ultraschallprüfmethoden bezüglich ihrer Fähigkeit zum Nachweis der typischen Herstellungs- und betriebsbedingten Materialschädigungen von CFK und GFK dar.
Neben verschiedenen konventionellen Ultraschall-Prüftechniken, werden die Phased-Array-Prüfung, insbesondere die Prüfung mit Matrixarrays, sowie die Untersuchung mit berührüngsloser Luftultraschalltechnik bezüglich ihrer Nachweisgrenzen und der Möglichkeiten zur Fehlercharakterisierung an Faserverbundwerkstoffen untersucht. Die Ergebnisse werden mit Untersuchungen mit thermographischen Methoden und Mikrowellentechnik verglichen.