Projekte

Leichtbaustrukturen z. B. im Automobil- oder Flugzeugbau unterliegen hohen Anforderungen im Betrieb, da sie meist sehr nah an ihren Belastbarkeitsgrenzen betrieben werden. Structural Health Monitoring (SHM)-Systeme sollen hier eine kontinuierliche Kontrolle des Zustands ermöglichen, um zum Beispiel Ermüdungsrisse oder Delaminationen in Faserverbundwerkstoffen durch Überlasten oder andere Umgebungseinflüsse frühzeitig erkennbar zu machen. Das Ziel ist dabei der Übergang zu einer zustandsgesteuerten Wartung, welche nicht nur die Zuverlässigkeit sicherheitsrelevanter Komponenten, sondern auch Kostenreduktion durch dann überflüssige Inspektionen mit sich bringt.

Untersuchung der "Broad Band Acousto Ultrasonic"-Methode

Das Fraunhofer LBF befasst sich in mehreren Forschungsprojekten mit Untersuchungen zustandsorientierter Strukturüberwachungsmethoden.
Eine einfach umzusetzende Methode ist die „Broad Band Acousto Ultrasonic“, kurz Ultraschall-Methode genannt. Hierbei wird eine Struktur mithilfe von piezokeramischen Flächenwandlern zu hochfrequenten Schwingungen angeregt. Mit Sensoren gleicher Art wird an verschiedenen Punkten die Strukturantwort aufgenommen. Das Übertragungsverhalten zwischen zwei Flächenwandlern ist charakteristisch für die Struktur und kann verwendet werden, um den Zustand der Struktur zu überwachen. Als Beispielobjekt für die Methode dient hier ein Flugzeugrumpf (Abb.1) mit applizierter Piezo-Sensorik. Die durchgeführten Messungen an der Rumpfschale zeigen, dass sich das Übertragungsverhalten zu benachbart angeordneten Piezosensoren nach einer Schädigung von dem Verhalten vor der Schädigung deutlich unterscheidet. Dies wird ersichtlich an den entsprechenden Frequenzgängen, die aus Erregungs- und Antwortspektrum ermittelt wurden (Abb. 2). Die Intensität der Schwingungsantwort des gerissenen Spantes ist über den gesamten Frequenzbereich deutlich geringer als die des ungeschädigten Spantes.

Der Riss beeinflusst demnach merklich das Schwingungsübertragungsverhalten. Die eingeleiteten Schwingungen werden nicht mehr vollständig im Spant, sondern vermehrt über ihre Nietverbindungen weitergeleitet. Während der Untersuchungen zeigte sich, dass die Sensitivität verschiedenen Einflüssen unterliegt. Dies sind einerseits die Positionierung der Aktoren und Sensoren sowie ihre Größe und der betrachtete Frequenzbereich. Andererseits sind auch Einflüsse wie die Temperatur nicht zu vernachlässigen. Für ein SHM-System an einem gesamten Flugzeug existiert unter Umständen eine große Anzahl von zu überwachenden Stellen, daher sollte der Aufwand zur Realisierung der Überwachung einer Messstelle möglichst gering gehalten werden. Da das Schwingungsübertragungsverhalten breitbandig durch die Schäden beeinflusst wird, bietet es sich an, die Auswertung nur in bestimmten  Frequenzbändern vorzunehmen, z. B. in definierten Oktavbändern. Dieser relativ einfache Ansatz bietet den Vorteil, mit geringerem Aufwand als Verfahren einsetzbar zu sein, welche die gemessenen Zeitsignale direkt verwerten.

Untersuchung der Elektromechanischen Impedanz-Methode

Eine ähnliche Strukturüberwachungsmethode ist die Elektromechanische Impedanz (EMI). Im Vergleich zu der Ultraschallmethode benötigt die EMI nur einen Piezopatch, der sowohl als Aktor als auch als Sensor agiert. Appliziert auf der zu überwachenden Struktur kann er diese mit hochfrequenten Schwingungen anregen. Durch die mechanische Kopplung zwischen dem Piezopatch und der Struktur können anhand der elektrischen Impedanz am piezo-elektrischen Wandler Änderungen in der Struktur identifiziert werden. In einem zyklischen Resonanzversuch wurde die Überwachungsmethode an einem Balken aus Kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) untersucht und verifiziert (Abb. 3). Nach einer Biegebelastung von 100.000 Zyklen wurde der Struktur ein Impact-Schaden zugefügt und sie bis zum Bruch zyklisch belastet. Die durchgeführten Messungen zeigen, dass die aufgenommenen elektrischen Impedanzen das Versagen des Überwachungsobjekts detektieren können und dass sie Methode auch bei sich dynamisch bewegenden Strukturen effektiv eingesetzt werden kann. Mittels Aufteilung der gemessenen Frequenzbereiche in bestimmten Frequenzbändern und Berechnung von Schadenindizes kann der Schaden detektiert und überwacht werden (Abb. 4). Auch hier werden wie bei der Ultraschallmethode Basismessungen der unbeschädigten Struktur aufgenommen und nach definierter Zeit bzw. nach definierten Zyklen neue Messungen der bereits belasteten Struktur druchgeführt. Aufgrund der gleichen piezobasierten Sensorik besteht auch bei der EMI ein nicht zu vernachlässigender Temperatureinfluss auf die gemessenen Impedanzen. In weiteren Forschungsarbeiten werden diese Einflüsse untersucht und eine Kompensationsmethode dafür entwickelt.