Diese Arbeit befasst sich mit der vergleichenden zerstörungsfreien Charakterisierung von Schäden in glasfaserverstärkten Kunststoffen mit mobilen Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Dazu wurden zunächst Prüflinge des nach DIN genormten Materials Vetronit EGS619 mit künstlich eingebrachten Defekten und beanspruchungsnahen Schlagschäden / Kreisscheibenreflektoren hergestellt. Platten mit 2 mm, 6 mm und 11 mm Dicke wurden mit Sacklochbohrungen unterschiedlicher Tiefe und Durchmesser versehen. Außerdem wurden Schlagschädigungen eingebracht, welche für jede Prüflingsdicke den Bereich vom nicht sichtbaren bis zum gut sichtbaren Schaden abdeckten. Einen ersten Eindruck der Schadensentstehung liefern die Aufnahmen einer Hochgeschwindigkeitskamera. Quantitative Parameter wurden durch die Ausmaße der Trübungen im Material und der Messung der Eindrucktiefe sowie der Ausbeulung erfasst. Danach wurden die Prüflinge mit verschiedenen Methoden geprüft. Neben etablierten zerstörungsfreien Prüfverfahren wie der Ultraschallprüfung, oder der optischen Lockin-Thermographie, kam ein neues Verfahren, die lokale akustische Resonanzspektroskopie zum Einsatz. Um ein eingehenderes Bild der Schadensmerkmale zu bekommen, wurden von ausgewählten Schlagschäden Computertomographien erstellt. Die Qualität der Ergebnisse der zerstörungsfreien Prüfung wurde verglichen und dadurch Folgerungen über Stärken und Schwächen der Verfahren gemacht. Praktisches Anwendungsbeispiel der zerstörungsfreien Prüfung von glasfaserverstärkten Kunststoffen in dieser Arbeit ist die Prüfung von Rotorblättern von Windenergieanlagen. Die Evaluierung der Methoden der zerstörungsfreien Prüfung soll Anregungen für ein ganzheitliches Konzept der Überwachung von Rotorblätter geben. Die Arbeit zeigte, dass das neue Verfahren lokale akustische Resonanzspektroskopie ein hohes Potential in der Prüfung von Windenergieanlagen hat. Eine einfachere Version, die Klopfprüfung wird bereits jetzt verwendet. Während die Ultraschallprüfung gute Ergebnisse auf einzelnen Messpunkten lieferte, gibt die Thermographie einen Überblick über große Bereiche des Bauteils. Vor allem in der kontaktfreien Ankopplung liegt bei beiden Methoden ein hohes Potential, da so auch die Automatisierung weiter vorangetrieben werden kann.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Grundlagen der Windenergieanlagen
2.1.1 Bauweise und Fertigung der Rotorblätter moderner Windenergieanlagen
2.1.2 Überwachung und Prüfung der Rotorblätter von Windenergieanlagen
2.2 Grundlagen der Faserverbundbauteile
2.2.1 Von den Komponenten Faser und Matrix zum Mehrschichtverbund
2.2.2 Beanspruchungsbedingte Schäden in Faserverbundwerkstoffen
2.3 Lokale akustische Resonanzspektroskopie
2.3.1 Physikalische Grundlagen
2.3.2 Prüfung mit der lokalen akustischen Resonanzspektroskopie
2.4 Ultraschall
2.4.1 Physikalische Grundlagen
2.4.2 Prüfung mit Ultraschall
2.5 Optische Lockin-Thermographie
2.5.1 Physikalische Grundlagen
2.5.2 Prüfung mit der optischen Lockin-Thermographie
2.6 Computertomographie
2.6.1 Physikalische Grundlagen
2.6.2 Prüfung mit der Computertomographie
3 Versuchsbeschreibung
3.1 Definierte Schädigung der Prüflinge
3.1.1 Das Fallwerk
3.1.2 Prüflinge
3.1.3 Impaktenergie
3.2 Zerstörungsfreie Schadenscharakterisierung
3.2.1 Messung sichtbarer Parameter
3.2.2 Aufnahmen mit der High Speed Kamera
3.2.3 Durchführung der lokalen akustische Resonanzspektroskopie
3.2.4 Durchführung der Ultraschallprüfung
3.2.5 Durchführung der optischen Lockin-Thermographie
3.2.6 Durchführung der Computertomographie
4 Versuchsauswertung
4.1 Auswertung der Messergebnisse
4.1.1 Auswertung der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen
4.1.2 Auswertung der Eindrucktiefe, Ausbeulung und Abmessung der Trübung
4.1.3 Auswertung der Ergebnisse der lokalen akustischen Resonanzspektroskopie
4.1.4 Auswertung der Ergebnisse der Ultraschallmessung
4.1.5 Auswertung der Ergebnisse der optischen Lockin-Thermographie
4.1.6 Auswertung der Ergebnisse der Computertomographie
4.2 Vergleich und Untersuchung der Übertragbarkeit der Ergebnisse
4.2.1 Vergleich lokale akustische Resonanzspektroskopie – Ultraschall
4.2.2 Vergleich Ultraschall – Computertomographie
4.2.3 Vergleich lokale akustische Resonanzspektroskopie – Referenzmethoden
4.2.4 Vergleich Optische Lockin-Thermographie – Referenzmethoden
4.3 Auswertung der Messergebnisse an realen Prüfobjekten
5 Diskussion
5.1 Impaktierung, Werkstoff, und Schadensmerkmale
5.2 Diskussion der Prüfung mit mobilen Prüfverfahren
5.2.1 Lokale akustische Resonanzspektroskopie
5.2.2 Ultraschallprüfung
5.2.3 Optischen Lockin Thermographie
5.3 Modell zur ganzheitlichen Schadenscharakterisierung
6 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Evaluierung gängiger und neuer zerstörungsfreier Prüfverfahren zur Untersuchung von Schädigungen in glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK), insbesondere im Hinblick auf ihre Anwendung an Rotorblättern von Windenergieanlagen. Die Forschungsfrage konzentriert sich darauf, wie zuverlässig mobile Verfahren wie die Ultraschalltechnik (USPA) und die lokale akustische Resonanzspektroskopie (LARS) im Vergleich zu hochauflösenden Methoden wie der Mikrocomputertomographie (µCT) Schädigungen charakterisieren können und wie die Übertragbarkeit der Messergebnisse sichergestellt werden kann.
- Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) von GFK-Strukturen
- Vergleichende Analyse von mobilen Prüfverfahren (US, LARS, Thermographie)
- Charakterisierung von Impaktschäden und Referenzdefekten
- Übertragbarkeit von Messergebnissen in der Instandhaltung
Auszug aus dem Buch
Die Fertigungsverfahren moderner Rotorblätter
Für die Fertigung der Rotorblätter werden die Fasermatten in vorgefertigte Negativformen gelegt, mit Harz getränkt und dann meist bei erhöhten Temperaturen in einem Autoklaven ausgehärtet. Um eine höhere Qualität zu gewährleisten, werden vorgetränkte Fasermatten, sogenannte Prepregs, eingesetzt. Alternativ zu den Prepregs wird das Vakuum- Infusionsverfahren angewendet. Hierbei werden die Matten ausgelegt und mit dem Matrixmaterial getränkt. Danach wird ein Absaugflies aufgelegt, eine luftdichte Folie über den Faserverbund gelegt und das Ganze mit einer Vakuumpumpe evakuiert. So fließt das überflüssige Harz in das Absaugflies. Dieses Verfahren wir heutzutage aus Kostengründen vorwiegend eingesetzt, [Hau 2008, S.262]. In der Fertigungskette bildet die Halbform eine Engstelle. Die Dauer, welche das Rotorblatt in der Form verweilt, sollte also möglichst gering gehalten werden um effizient produzieren zu können, [Lutz 2014]. Abbildung 2-5 zeigt das Vakuum Infusionsverfahren und das Prepregverfahren:
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung beleuchtet das Marktwachstum bei faserverstärkten Kunststoffen und Windenergieanlagen sowie die Notwendigkeit zerstörungsfreier Prüfmethoden für die Instandhaltung.
2 Stand der Technik: Hier werden Grundlagen zu Windenergieanlagen und Faserverbundwerkstoffen sowie die physikalischen Prinzipien der untersuchten Prüfverfahren (Resonanzspektroskopie, Ultraschall, Thermographie, Computertomographie) dargelegt.
3 Versuchsbeschreibung: Dieses Kapitel erläutert den Aufbau der Versuche, einschließlich der Einbringung definierter Schäden mittels Fallwerk und der systematischen Vorgehensweise der zerstörungsfreien Schadenscharakterisierung.
4 Versuchsauswertung: Hier werden die Ergebnisse der verschiedenen Prüfmethoden detailliert präsentiert, analysiert und hinsichtlich ihrer Aussagekraft und Übertragbarkeit verglichen.
5 Diskussion: In diesem Kapitel werden die gewonnenen Ergebnisse interpretiert, Stärken und Schwächen der Verfahren diskutiert und Anstöße für ein ganzheitliches Modell zur Schadenscharakterisierung gegeben.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Diese Kapitel fasst die Ergebnisse zusammen und bewertet das Potenzial der untersuchten zerstörungsfreien Verfahren für die zukünftige industrielle Anwendung.
Schlüsselwörter
Zerstörungsfreie Prüfung, NDT, Faserverbundwerkstoffe, GFK, Windenergieanlagen, Rotorblätter, Ultraschall, Lokale akustische Resonanzspektroskopie, LARS, Lockin-Thermographie, Computertomographie, Impaktschäden, Schadenscharakterisierung, Materialprüfung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der vergleichenden Untersuchung verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren zur Charakterisierung von Schäden in glasfaserverstärkten Kunststoffen, wie sie bei Rotorblättern von Windenergieanlagen vorkommen.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Zentrale Felder sind die Impaktcharakterisierung in GFK, die physikalischen Grundlagen mobiler Prüftechniken und deren Eignung für die Instandhaltung von Windenergieanlagen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Evaluierung und der Vergleich etablierter und neuer zerstörungsfreier Prüfverfahren, um deren Stärken und Schwächen bei der Detektion und Bewertung von Schlagschäden besser zu verstehen.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Prüfung verwendet?
Es werden drei mobile Verfahren – Ultraschall, lokale akustische Resonanzspektroskopie und optische Lockin-Thermographie – sowie die Computertomographie als Referenzmethode genutzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil liegt der Fokus auf der technischen Umsetzung der Versuche, der Auswertung der Messdaten an Prüflingen verschiedener Dicke sowie dem Vergleich der Verfahren hinsichtlich ihrer Detektionsfähigkeit.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie zerstörungsfreie Prüfung, Faserverbundwerkstoffe, Windenergieanlagen, Ultraschall und Resonanzspektroskopie charakterisiert.
Welche Bedeutung hat die lokale akustische Resonanzspektroskopie in dieser Studie?
Sie wird als ein neues, potenziell handliches Verfahren evaluiert, dessen Auswertungsskripte in dieser Arbeit entwickelt wurden, um Delaminationen an größeren Flächen effizienter zu detektieren.
Warum ist die Computertomographie wichtig für diese Arbeit?
Sie dient als hochauflösende Referenzmethode, um die tatsächliche Struktur und Art der Schädigungen im Inneren der GFK-Platten dreidimensional abzubilden und so die Ergebnisse der mobilen Verfahren zu validieren.
Was sind die wichtigsten Erkenntnisse für die Anwendung an Rotorblättern?
Die Studie zeigt, dass eine Kombination aus bildgebenden Verfahren (Thermographie) und lokal prüfenden Verfahren (Ultraschall) sowie ein ganzheitliches Überwachungskonzept für die Instandhaltung entscheidend sind.
- Arbeit zitieren
- Christoph Hornfeck (Autor:in), 2014, Vergleichende zerstörungsfreie Charakterisierung von Schäden in Faserverbundstrukturen (GFK) mittels mobiler Prüfverfahren, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/278575
