Forschung
© Fraunhofer LBF
06.05.2020

Schwingungsbasierte, zerstörungsfreie Strukturüberwachung

Schwingungsbasierte, zerstörungsfreie Strukturüberwachung

In allen industriellen Branchen stehen Hersteller struktureller Komponenten vor einer Herausforderung: Sie müssen die gewünschte Qualität und die Betriebsfestigkeit ihrer Produkte über die Lebenszeit sicherstellen. Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF haben jetzt einen innovativen Messkopf entwickelt, der schwingungsbasiert und zerstörungsfrei den Zustand einer Struktur anhand der elektromechanischen Impedanz prüfen kann. Er wird ohne zusätzliches Koppelungsmedium an die Prüfstruktur angedrückt, die somit nicht verändert wird. Der Messkopf ist imstande, simultan die Prüfstruktur anzuregen und die elektromechanische Impedanz zu messen.

Ein vielversprechendes Verfahren in der zerstörungsfreien Prüfung struktureller Komponenten basiert auf der Messung der elektromechanischen Impedanz. Dafür wird normalerweise ein piezoelektrischer Wandler auf die Prüfstruktur geklebt, um die elektromechanische Kopplung herzustellen. Allerdings lässt sich der Wandler nach der Messung nur mit großem Aufwand entfernen. Dadurch besteht das Risiko, die Struktur zu beschädigen. Dies hat bisher die Anwendbarkeit des Verfahrens eingeschränkt, da der Messpunkt nicht flexibel geändert werden konnte und die Sensorik dauerhaft im Bauteil verbleiben musste. Daher hat ein Technologietransfer in die Industrie bisher nur für stationäre Anwendungen stattgefunden.

Innovativer Messkopf benötigt kein zusätzliches Kopplungsmedium

Kernelement des am Fraunhofer LBF entwickelten innovativen Messkopfes ist ein piezoelektrischer Wandler mit einer Größe von 10x10 Millimeter. Einzigartig am Messkopf ist, dass er ohne zusätzliches Kopplungsmedium nur an die Prüfstruktur angedrückt wird und sich so auch wieder entfernen und an die nächste Messstelle bewegen lässt. Die Prüfstruktur wird somit nicht verändert, und es verbleiben auch keine Klebstoffrückstände auf ihrer Oberfläche. Der Messkopf ist imstande, simultan die Prüfstruktur anzuregen und die elektromechanische Impedanz zu messen.

Innovativer Messkopf des Fraunhofer LBF für die Messung der elektromechanischen Impedanz. - © Fraunhofer LBF
Innovativer Messkopf des Fraunhofer LBF für die Messung der elektromechanischen Impedanz. © Fraunhofer LBF
Hohe Sensitivität

Der Energieverbrauch des neuen Messkopfs liegt mit weniger als 500 Milliwatt deutlich unterhalb dem konventioneller Messverfahren, wo er eine Größenordnung höher liegt. „Auch im Hinblick auf die einstellbare, hohe Sensitivität ist der Messkopf konventionellen Verfahren überlegen und kann in der Identifikation von strukturellen Änderungen einen deutlichen Mehrwert für den Kunden aus der Prüf- und Messtechnik bis hin zu Endanwendern in der Automobil- und Luftfahrtindustrie generieren“, erklärt Wissenschaftlerin Ye Ji Park, die das Projekt am Fraunhofer LBF betreut.

Der am Fraunhofer LBF neu entwickelte Messkopf identifiziert strukturelle Änderungen, indem er Qualitätsabweichungen oder Materialfehler in der inline- oder offline-Fertigung detektiert. Zudem kann er Strukturfehler frühzeitig erkennen, um ein unerwartetes Materialversagen zu vermeiden.

Im Zuge einer vibrationsbasierten Messung zeigt der Messkopf im Vergleich zu akustischen oder optischen Systemen eine höhere Sensitivität für Strukturänderungen. Bei referenzbasierten Messungen erhöht der Messkopf die statistische Zuverlässigkeit und Entscheidungssicherheit. Darüber hinaus ermöglicht er es, strukturelle Änderungen über die Lebenszeit nachzuverfolgen.

Prozessoptimierung und maximale Produktqualität

Im Rahmen des durch die Europäische Kommission geförderten Luftfahrt-Forschungsprojekts Clean Sky 2 ist der Messkopf in ein automatisiertes Messsystem und in die Infrastruktur einer Produktionsanlage integriert worden. Derzeit ist auf diesem Wege eine Untersuchung von Strukturen bis zu einer Länge von rund acht Metern möglich. Mittelfristig ist geplant, die Signale des Messkopfs auch direkt für die Prozessoptimierung zu nutzen. Auf diese Weise trägt die Technologie nicht nur zur Überwachung, sondern auch zur Maximierung der Produktqualität bei.

(Quelle: Presseinformation des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF)

Schlagworte

AutomobilindustrieLuftfahrtindustrieProduktionProduktlebenszyklusZerstörungsfreie Prüfung

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