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
- Einleitung
- Stand der Technik
- Grundlagen der Windenergieanlagen
- Bauweise und Fertigung der Rotorblätter moderner Windenergieanlagen
- Überwachung und Prüfung der Rotorblätter von Windenergieanlagen
- Grundlagen der Faserverbundbauteile
- Von den Komponenten Faser und Matrix zum Mehrschichtverbund
- Beanspruchungsbedingte Schäden in Faserverbundwerkstoffen
- Lokale akustische Resonanzspektroskopie
- Physikalische Grundlagen
- Prüfung mit der lokalen akustischen Resonanzspektroskopie
- Ultraschall
- Physikalische Grundlagen
- Prüfung mit Ultraschall
- Optische Lockin-Thermographie
- Physikalische Grundlagen
- Prüfung mit der optischen Lockin-Thermographie
- Computertomographie
- Physikalische Grundlagen
- Prüfung mit der Computertomographie
- Grundlagen der Windenergieanlagen
- Versuchsbeschreibung
- Definierte Schädigung der Prüflinge
- Das Fallwerk
- Prüflinge
- Impaktenergie
- Zerstörungsfreie Schadenscharakterisierung
- Messung sichtbarer Parameter
- Aufnahmen mit der High Speed Kamera
- Durchführung der lokalen akustische Resonanzspektroskopie
- Durchführung der Ultraschallprüfung
- Durchführung der optischen Lockin-Thermographie
- Durchführung der Computertomographie
- Definierte Schädigung der Prüflinge
- Versuchsauswertung
- Auswertung der Messergebnisse
- Auswertung der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen
- Auswertung der Eindrucktiefe, Ausbeulung und Abmessung der Trübung
- Auswertung der Ergebnisse der lokalen akustischen Resonanzspektroskopie
- Auswertung der Ergebnisse der Ultraschallmessung
- Auswertung der Ergebnisse der optischen Lockin-Thermographie
- Auswertung der Ergebnisse der Computertomographie
- Vergleich und Untersuchung der Übertragbarkeit der Ergebnisse
- Vergleich lokale akustische Resonanzspektroskopie – Ultraschall
- Vergleich Ultraschall – Computertomographie
- Vergleich lokale akustische Resonanzspektroskopie – Referenzmethoden
- Vergleich Optische Lockin-Thermographie – Referenzmethoden
- Auswertung der Messergebnisse an realen Prüfobjekten
- Auswertung der Messergebnisse
- Diskussion
- Impaktierung, Werkstoff, und Schadensmerkmale
- Diskussion der Prüfung mit mobilen Prüfverfahren
- Lokale akustische Resonanzspektroskopie
- Ultraschallprüfung
- Optischen Lockin Thermographie
- Modell zur ganzheitlichen Schadenscharakterisierung
- Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Ziel dieser Masterarbeit ist die vergleichende Bewertung gängiger und neuer zerstörungsfreier Prüfverfahren zur Untersuchung von Schäden in glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK). Im Fokus stehen mobile Prüfmethoden wie Ultraschall Phased Array (USPA) und lokale akustische Resonanzspektroskopie (LARS), deren Ergebnisse mit hochauflösenden Referenzmethoden (µCT und visuelle Inspektion) verglichen werden.
- Evaluierung mobiler zerstörungsfreier Prüfverfahren (USPA, LARS) an GFK
- Vergleich der Ergebnisse mit µCT und visueller Inspektion
- Untersuchung der Schädigungscharakteristik durch verschiedene Parameter (Material, Belastung)
- Entwicklung von Ableitungen für die Vergleichbarkeit der Messergebnisse verschiedener Verfahren
- Anwendung der Ergebnisse auf die Prüfung von Rotorblättern an Windenergieanlagen
Zusammenfassung der Kapitel
Einleitung: Die Einleitung führt in die Thematik der steigenden Bedeutung faserverstärkter Kunststoffe, insbesondere im Bereich der Windenergie, ein. Sie hebt die Notwendigkeit zuverlässiger zerstörungsfreier Prüfverfahren hervor und definiert die Zielsetzung der Arbeit: einen Vergleich verschiedener mobiler Prüfmethoden zur Charakterisierung von Schäden in GFK.
Stand der Technik: Dieses Kapitel bietet einen umfassenden Überblick über die Grundlagen von Windenergieanlagen, insbesondere den Aufbau und die Fertigung von Rotorblättern. Es beschreibt die verschiedenen Schädigungsmechanismen in Faserverbundwerkstoffen und detailliert die physikalischen Prinzipien der verwendeten zerstörungsfreien Prüfverfahren (Ultraschall, lokale akustische Resonanzspektroskopie, optische Lockin-Thermographie und Computertomographie). Jedes Verfahren wird hinsichtlich seiner physikalischen Grundlagen und seiner Anwendung in der Praxis erläutert.
Versuchsbeschreibung: Dieses Kapitel beschreibt detailliert die Methodik der durchgeführten Versuche. Es erläutert die Herstellung der Prüflinge (GFK-Platten mit unterschiedlichen Dicken und künstlich eingebrachten Schäden), die Impaktierungsprozedur mit einem Fallturm, sowie die Durchführung der zerstörungsfreien Prüfverfahren (USPA, LARS, OLT, µCT) und die dazugehörigen Parametereinstellungen. Das Kapitel legt Wert auf die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse.
Versuchsauswertung: Hier werden die Ergebnisse der verschiedenen Prüfmethoden präsentiert und interpretiert. Zunächst werden die Ergebnisse der visuellen Inspektion (Eindrucktiefe, Ausbeulung, Trübungsfläche) und der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen beschrieben. Anschließend werden die Daten der zerstörungsfreien Prüfverfahren ausgewertet und miteinander verglichen. Der Fokus liegt auf der Detektionswahrscheinlichkeit und der Auflösung der verschiedenen Methoden.
Diskussion: Die Diskussion analysiert die erhaltenen Ergebnisse im Kontext der verwendeten Methoden und der Materialeigenschaften. Es werden die Stärken und Schwächen jedes Verfahrens im Hinblick auf die Handhabbarkeit, den Reifegrad und die Aussagekraft diskutiert. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf reale Prüfobjekte (Rotorblätter) wird untersucht und ein ganzheitliches Konzept für die Schadenscharakterisierung an Rotorblättern wird vorgeschlagen.
Schlüsselwörter
Zerstörungsfreie Prüfung, Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), Windenergieanlagen, Ultraschall Phased Array (USPA), Lokale akustische Resonanzspektroskopie (LARS), Optische Lockin-Thermographie (OLT), Mikrocomputertomographie (µCT), Schädigungscharakterisierung, mobile Prüfverfahren, Delamination, Impakt, Rotorblätter.
Häufig gestellte Fragen zur Masterarbeit: Vergleichende Bewertung zerstörungsfreier Prüfverfahren an GFK
Was ist das Thema der Masterarbeit?
Die Masterarbeit befasst sich mit der vergleichenden Bewertung verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren zur Untersuchung von Schäden in glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK), insbesondere im Hinblick auf die Anwendung bei Rotorblättern von Windenergieanlagen. Der Fokus liegt auf dem Vergleich mobiler Prüfmethoden wie Ultraschall Phased Array (USPA) und lokale akustische Resonanzspektroskopie (LARS) mit hochauflösenden Referenzmethoden (µCT und visuelle Inspektion).
Welche Prüfverfahren werden untersucht?
Die Arbeit untersucht die folgenden zerstörungsfreien Prüfverfahren: Ultraschall Phased Array (USPA), lokale akustische Resonanzspektroskopie (LARS), optische Lockin-Thermographie (OLT) und Mikrocomputertomographie (µCT). Die Ergebnisse dieser Verfahren werden miteinander und mit einer visuellen Inspektion verglichen.
Welche Materialien wurden untersucht?
Die Untersuchungen wurden an glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK)-Platten mit künstlich eingebrachten Schäden durchgeführt. Die Prüflinge variierten in Dicke und Art der Schädigung.
Wie wurden die Schäden erzeugt?
Die Schäden in den GFK-Prüflingen wurden durch Impaktierung mit einem Fallwerk erzeugt. Die Impaktenergie wurde dabei kontrolliert variiert.
Welche Parameter wurden gemessen und ausgewertet?
Es wurden verschiedene Parameter gemessen und ausgewertet, darunter die Eindrucktiefe, Ausbeulung und Trübung der Oberfläche nach der Impaktierung. Die zerstörungsfreien Prüfverfahren lieferten Daten über die Ausbreitung und den Umfang der inneren Schäden. Die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen ermöglichten die Beobachtung des Impaktereignisses selbst.
Wie wurden die Ergebnisse der verschiedenen Verfahren verglichen?
Die Ergebnisse der verschiedenen Prüfverfahren wurden hinsichtlich ihrer Detektionswahrscheinlichkeit, Auflösung und Aussagekraft verglichen. Der Fokus lag auf der Identifizierung von Stärken und Schwächen der einzelnen Methoden und ihrer Eignung für den Einsatz an Rotorblättern von Windenergieanlagen.
Welche Schlussfolgerungen wurden gezogen?
Die Arbeit analysiert die Stärken und Schwächen der untersuchten Prüfverfahren und untersucht die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf reale Prüfobjekte. Es wird ein ganzheitliches Konzept für die Schadenscharakterisierung an Rotorblättern vorgeschlagen, das die Ergebnisse der verschiedenen Methoden kombiniert.
Welche Zielsetzung verfolgt die Arbeit?
Das Hauptziel der Arbeit ist die vergleichende Bewertung der untersuchten zerstörungsfreien Prüfverfahren, um deren Eignung für die Inspektion von GFK-Bauteilen, insbesondere Rotorblättern von Windenergieanlagen, zu bestimmen. Es geht darum, ein optimales Verfahren oder eine Kombination von Verfahren für eine effiziente und zuverlässige Schadensdetektion zu identifizieren.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit?
Zerstörungsfreie Prüfung, Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), Windenergieanlagen, Ultraschall Phased Array (USPA), Lokale akustische Resonanzspektroskopie (LARS), Optische Lockin-Thermographie (OLT), Mikrocomputertomographie (µCT), Schädigungscharakterisierung, mobile Prüfverfahren, Delamination, Impakt, Rotorblätter.
Wo finde ich den vollständigen Inhalt der Masterarbeit?
(Hier sollte ein Link zur vollständigen Arbeit eingefügt werden, falls verfügbar.)
- Quote paper
- Christoph Hornfeck (Author), 2014, Vergleichende zerstörungsfreie Charakterisierung von Schäden in Faserverbundstrukturen (GFK) mittels mobiler Prüfverfahren, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/278575
