DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

Start > Beiträge > Vorträge > Schallemissionsprüfung: Print

Schallemissionsprüfung (AT) von CFK-Druckgasbehältern

J. Bohse, BAM - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin
Kontakt: Dr.-Ing. habil. Jürgen Bohse

Kurzfassung:

An Druckgasflaschen aus CFK-Wickellaminaten wurden unterschiedliche Arten von mechanischen Beschädigungen (Schlagschaden oder Kerben) eingebracht und wiederkehrende Druckprüfungen mit begleitender AT nach einer unterschiedlichen Anzahl von Innendruckzyklierungen durchgeführt. Zu Vergleichszwecken wurden Flaschen ohne äußere Beschädigung - die Erzeugung von Mikroschädigungen resultierte allein aus der Druckzyklierung - mitgeprüft.

Mit diesen Versuchen soll der Fragestellung nachgegangen werden, welche Arten von Beschädigungen bei periodischen Inspektionen durch Innendruckprüfung mittels AT nachweisbar sind und wie sich diese im druckabhängigen AE-Verlauf äußern.

Die AT-Ergebnisse der Druckprüfungen werden an Beispielen vorgestellt.

Als Ergebnis dieser Untersuchungen werden mögliche qualitative Kriterien zur Erkennung von "starken" Beschädigungen an gewickelten Druckbehältern aus Polymermatrix-Verbunden im Vergleich zu "unbeschädigten" Behältern anhand von AE-Merkmalen aus der "wiederkehrenden" Druckprüfung diskutiert.

Stichworte: Schallemissionsprüfung, CFK-Druckgasbehälter, Schlagschäden, Kerben

1. Einführung

Die Technik der Schallemissionsprüfung (AT) basiert darauf, dass dynamische Verschiebungen im Nanometer-Bereich an der Oberfläche von belasteten Prüfobjekten mittels hochempfindlicher piezoelektrischer Sensoren im Frequenzbereich von ca. 50 kHz bis 1 MHz detektiert und in elektrische Signale umgewandelt werden.
Diese Oberflächenverschiebungen werden durch akustische Wellen (elastische Spannungswellen) verursacht, welche durch kurzzeitige, sehr kleine Materialverschiebungen, zum Beispiel infolge Rückfederung des Materials bei schnell ablaufenden Prozessen, wie Mikrorissbildung, Rissfortschritt, Rissuferreibung etc. entstehen.

Die AT ist somit ein Echtzeit-Messverfahren und ermöglicht ebenfalls eine online Bewertung der Prüfergebnisse auf Grundlage festgelegter Kriterien.

Der Vorteil von Faserverbundwerkstoffen ist es, dass Faserbrüche und Delaminationsprozesse sehr starke Schallemissionen erzeugen, weshalb die AT bei Faserverbundbauteilen international auch besonders erfolgreich angewendet wird.

Der Beitrag soll illustrieren, welche generellen Informationen über die Schädigungs- und Bruchprozesse in Faserverbunden aus dem AE-Verhalten und der Analyse von AE-Signalen resultieren.

Es werden Ergebnisse der AT aus Untersuchungen von beschädigten Vollcomposite-Druckbehältern im Rahmen von "wiederkehrenden" Prüfungen nach der Innendruckzyklierung dargestellt.

2. Werkzeuge zur Identifikation und Bewertung von Schädigungs- bzw. Bruchstadien in Faserverbunden aus AE-Untersuchungen

Die AT kann Antworten auf die Fragen geben, wann (Zeit, externe Parameter)?, wie viel (Rate, Summe)?, mit welcher Intensität (Amplitude, Energie)? und wo (Ortung von AE-Quellen)? Spannungswellen emittierende Schädigungsprozesse auftreten.

Dazu werden seitens der Aufzeichnung und Analyse von AE-Signalen gegenwärtig die in Tabelle 1 zusammengefassten Werkzeuge eingesetzt.
Moderne Entwicklungen der Wellenformaufzeichnung, basierend auf neuer Hardware und schnellen Transientenrecordern mit hohen Abtastraten, sowie die experimentelle und theoretische Analyse von Wellenformen führen zu ergänzenden Informationen zur Identifikation von AE-Quellenmechanismen.

Faserverbundwerkstoffe werden meist zur Herstellung dünnwandiger Bauteile verwendet. Dies bedeutet für die AT, dass hauptsächlich Plattenwellen angeregt werden. Ansätze der AE-Modalanalyse zur Identifikation von AE-Quellen basieren deshalb auch auf der bevorzugten Anregung spezifischer Plattenwellenmoden in Abhängigkeit vom jeweiligen Bruchmode, der Bruchgeometrie und dem Ort der Quelle (Volumen oder Oberfläche).

Die Interpretation von AT-Ergebnissen wird außerdem unterstützt durch die FE-Modellierung der örtlichen Verformungs- und Spannungsverhältnisse und den daraus abgeleiteten Prozessen des Makroversagens von Proben oder Bauteilen sowie durch die werkstoffmechanische Modellierung (mikro- und bruchmechanische Modelle, Schädigungsmodelle, Energiebilanzen) von Prozessen des Mikroversagens.

In Faserverbunden mit Polymermatrix können mittels AT unterschiedliche Quellenmechanismen detektiert werden, die vom Mikroversagen bis hin zur Schädigung auf meso- oder makroskopischer Strukturebene reichen:

  • Matrixrissbildung
  • Faser/Matrix-Grenzflächenbruch
  • Faserbruch
  • Intra- oder interlaminares Bruchversagen.

Ein grundlegendes, noch ungelöstes Problem ist bis heute die Klassifikation und Interpretation von AE-Signalen sowie die Trennung der AE-Quellen aus "echten" Schädigungsprozessen von externen Störgeräuschen oder dem Reiben von Bruchflächen anhand ihrer Wellenformen.

  • Änderungen in der AE-Aktivität oder -Intensität in Abhängigkeit von der Zeit bzw. externen Parametern, wie Verformung, Kraft etc.:

    erste AE-Hits / -Events (1)

    • Einsetzen des Schädigungsprozesses

    charakteristische Änderungen der AE-Hit- / -Event- / -Energierate oder summe (2)

    • Progressiver Anstieg - "Kniepunkt" (Auftreten neuer Versagens-mechanismen)
    • Nicht abklingende oder sogar ansteigende AE-Aktivität während einer Lasthaltestufe (Erreichen von instabilen Schädigungsstadien)
    • Ansteigende AE-Aktivität während der Entlastung (Reibung geschädigter Bereiche, z.B. von Delaminationen)

    AE-Amplitudenverteilung (3)

    • Anzahl von Versagensmechanismen

    Felicity-Verhältnis
    (Verhältnis derjenigen Last bei Einsetzen "signifikanter" Schallemission zur vorher aufgebrachten maximalen Last)

    • Warnung vor ultimativem Versagen, wenn das Verhältnis unter einen kritischen Wert fällt (= 0,90...0,95)
  • Ortung von AE-Quellen

    Planare Ortung oder Zonenortung:

    • Ort, Größe, Form und Wachstumsrichtung von AE-aktiven Zonen, welche für individuelle Arten von Schädigungen (Delaminationen, Schlagschäden, Kerben etc.) charakteristisch sind.
  • Identifikation von AE-Quellen
    Werkzeuge:

    • Konventionelle AE-Merkmale
      (Sensor- und Frequenzfilterabhängige Maximalamplitude und Signalenergie, schwellwertabhängige Anzahl von Überschwingungen, Signaldauer etc. oder deren Verteilungen bzw. Korrelationsplots)
    • Wellenform- / Wellenmoden-Analyse
    • Frequenzspektrum (FFT)
    • Mustererkennung von AE-Signalen mittels neuronaler Netzwerke
    • Momententensorinversion
    • Modellierung von AE-Quellen

    • Identifikation von AE-Quellenmechanismen
    • Unterscheidung "echter" Schadensmechanismen von äußeren und inneren Störquellen (Hydraulikgeräusche, Reibung etc.)

Bild 1: Festigkeits- und AE-Verhalten eines ud-Aramidfaser / PA12 - Verbundes unter Zugbelastung: Grafik
1. Spannung,
2. Hitrate,
3. Energierate,
4. Energiesumme,
5. Signalamplituden und
6. Amplitudenverteilung vs. Versuchszeit

3. Prüfung von Druckbehältern aus Faserverbundwerkstoffen

Im Rahmen eines Forschungsprojektes [1] wurden an Vollcomposite-Druckbehältern aus Carbon/Epoxy-Wickellaminat unterschiedliche Arten von mechanischen Beschädigungen (Schlagschaden oder Kerben) eingebracht und wiederkehrende Druckprüfungen mit begleitender AT nach Innendruckzyklierung durchgeführt.

Mit diesen Versuchen sollte der Fragestellung nachgegangen werden, welche Arten von Beschädigungen bei periodischen Inspektionen durch Innendruckprüfung mittels AT nachweisbar sind und wie sich diese im druckabhängigen AE-Verlauf äußern.

Prüfobjekt


Bild 2:
Druckprüfung mit angesetzten AT-Sensoren (Flasche oben rechts)

Die Anwendung der AT erfolgte bei der Druckprüfung von MCS 6,8 l / 300 bar - Druckgasflaschen (Bild 2). Durch Kugelhähne ließen sich vier Flaschen gleichzeitig pulsieren aber einzeln mit AT prüfen.
Es wurden äußerlich unbeschädigte und beschädigte (Schlagschaden, Kerben) Flaschen untersucht.

Die beschädigten Flaschen waren mit einem Schlagschaden (Wkin = 2 x 70 J in Flaschemitte) bzw. Kerben in den äußeren Wickellagen (zwei Kerben, eine längs und eine quer in Flaschemitte entlang zweier Ebenen, die einen Winkel von 120° bilden; Tiefe = 1,5 bzw. 3 mm, Breite = 1 mm und Länge = 50 mm) versehen.
AT-Prüfungen erfolgten direkt nach der Beschädigung und nach einer unterschiedlichen Anzahl von Innendruckzyklierungen.
Zu Vergleichszwecken wurden Druckflaschen ohne äußere Beschädigung - die Erzeugung von Mikroschädigungen resultierte hierbei allein aus der Druckzyklierung - mitgeprüft.

AT-Messtechnik und Prüfparameter

  • AT-Messsystem MISTRAS 2001 (PAC/USA) mit 6 Kanal-Aufzeichnung: Resonanzsensoren PAC-R15; Filter BP 100-300 kHz im Vorverstärker 1220A; VV = 40 dB; Thr = 34 dB.
  • 6 Sensoren pro Flasche auf dem zylindrischen Teil der Flaschen über Halterung mit konstanter Federkraft angepreßt und an die Flasche direkt ohne Adapter mittels NAKIPLAST ® (Knetmasse) angekoppelt.
  • Lokalisierung von Schallemissionsquellen mittels planarer Ortung bzw. Zonenortung.
  • Durchführung der AT-Druckprüfung bei Raumtemperatur mit einem Druckprofil entsprechend Bild 3.


Bild 3: Druckprofil für die AT

Besondere Anforderungen an Prüf- und Umgebungsbedingungen

Die Prüfungen erfolgten mit dem Druckmedium Öl. Zur Minimierung der Übertragung von Schwingungen des Kompressors wurden druckführende Gummischläuche verwendet. Für den Leckagefall wurden die Flaschen im Schutzbehälter geprüft.

Prüfergebnisse

Die Gasflaschen zeigen bei einer Druckprüfung direkt nach der Beschädigung drastische AE-Effekte.
Eine anschließende Innendruckzyklierung (Dp = 5 - 300 bar) zur Simulation von Befüllvorgängen soll zum örtlichen Spannungsabbau durch fortschreitende Mikroschädigung im Bereich der Makrobeschädigungen führen. Bei den nach vorgegebener Zyklenanzahl durchgeführten Druckprüfungen ist eine Abnahme der AE-Aktivität und -Intensität mit zunehmender Zyklierung bis zur untersuchten Zyklenanzahl von 5000 zu verzeichnen.

Bild 4: Prüfdruck, Hitrate, Signalamplitude und Signalenergie als Funktion der Prüfzeit oben: Flasche ohne äußere Beschädigung; unten: Flasche mit Schlagschaden
Bild 5: Einzelkanal-Darstellung der kumulativen Summe von Hits und Signalenergie aus den planar georteten Schallemissionsquellen der Flasche mit Schlagschaden als Funktion der Prüfzeit
Bild 6: Kumulative Zunahme der Signalenergie als Summe der Kanäle 3 und 4, erzeugt durch planar lokalisierte Schallemissionsquellen der Flasche mit Schlagschaden als Funktion des Prüfdruckes Bild 7: Planare Ortung von Schallemissionsquellen der Flasche mit Schlagschaden; X-Achse = Abwicklung des Flaschenumfangs und Y-Achse = Flaschenlängsrichtung; AE-Sensorpositionen durch Zahlen markiert (Sensoren 3 und 4 in Flaschenmitte); Clusteranzeige (E > 10.000) der Lage des Schlagschadens;

AT-Ergebnisse der Druckprüfungen (Bilder 4 ... 7) sind am Beispiel einer Flasche mit Schlagschaden (in Nähe des Sensors 3) nach 5000 Druckzyklen dargestellt, wobei die Kanäle 1 ... 6 durch unterschiedliche Farben gekennzeichnet wurden.
Bild 4 zeigt das AT-Ergebnis im Vergleich zu einem äußerlich unbeschädigten Flasche.
Die maximalen AE-Signalamplituden am Ort der AE-Quellen wurden mittels abstandsabhängiger Amplitudenkorrektur zu 90...100 dBAE berechnet.

Es ist festzustellen, dass Beschädigungen durch Schlag und Längskerben auch nach längerer Nutzungsdauer der Flaschen mit der AT noch eindeutig nachweisbar sind. Umfangskerben verhalten sich bei Prüfdrücken bis 360 bar bei diesen Flaschen weniger auffällig, da sie unter diesen Druckbedingungen örtlich nicht festigkeitsrelevant sind.

Kriterien zur Zustandsbewertung

Als mögliche qualitative Kriterien zur Erkennung von "starken" Beschädigungen an gewickelten Druckbehältern aus Polymermatrix-Verbunden im Vergleich zu "unbeschädigten" Behältern anhand von AT-Signalmerkmalen aus der "wiederkehrenden" Druckprüfung bei 100%-Erfassung des Prüfobjekts oder kritischer, besonders gefährdeter Behälterbereiche durch ein geeignetes Sensorarray deuten sich bisher an:

  • höhere Hitsummen, kumuliert über den gesamten Druckversuch (Bild 4)
  • Sensoren, die in Nähe der Beschädigung appliziert sind,
    • registrieren mehr höherenergetische Anregungen in allen Phasen der Druckprüfung (besonders bei selektiver Darstellung der Energiesumme von planar georteten Quellen (Bild 5) aber auch bei Zonenortung)
    • detektieren während der Druckentlastung höhere Hitraten / Hitsummen als beim vorangegangenen Druckanstieg (Bilder 4 und 5)
    • zeigen einen progressiven Energiezuwachs während der Druckentlastung (Bild 6)
  • Ausbildung von Clustern aus höherenergetischen Schallemissionsquellen, wenn planare Ortung erfolgreich anwendbar ist (Bild 7). Bei der Zonenortung bilden sich, wie oben erwähnt, ebenfalls Zonen mit stärkerer Schallemissionsintensität heraus.

Anhand von konventionellen AE-Merkmalen sind bisher keine Unterschiede zwischen Signalen aus Be- und Entlastungsphasen festzustellen.

Inwieweit sich die eingebrachten Beschädigungen auf die strukturelle Integrität, z.B. die Restfestigkeit, auswirken, muss in Berstversuchen noch überprüft werden.

4. Ausblick

Die Untersuchungen werden u.a. im Rahmen eines EU-Projekts fortgeführt mit dem Ziel, eine eigene Wissensbasis für die europäische oder internationale Normung der AT-Prüfung von Faserverbundbauteilen [2] zu schaffen sowie zur Formulierung von objektiveren Bewertungskriterien der strukturellen Integrität derartiger Bauteile auf der Grundlage von AE-Ergebnissen beizutragen.

Literatur

  1. Abschlussbericht des Forschungsvorhabens "Fortentwicklung von fahrzeugbezogenen CNG-Spezialtechnologien", BAM-Teilprojekt 1.3, Förderung UFO-Plan des BMU FKZ 20045146, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin, Mai 2003
  2. Brunner, A.J., Bohse, J., Acoustic Emission standards and guidelines 2002: a comparative assessment and perspectives, NDT.net - September 2002, Vol. 7 No. 09, S. 1-8.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net