Verfahren der Zustandsüberwachung durchdringen fortlaufend immer weitere Anwendungsfelder wie die Luftfahrt, den Automobilbau, die chemische Industrie, erneuerbare Energien oder das Bauwesen. Für viele Einsatzszenarien eignen sich insbesondere Methoden, die auf der Nutzung geführter Wellen, als Spezialform des Ultraschalls, basieren. Gekrümmte Bauteile und Strukturen oder heterogene und anisotrope Materialien, sowie das dispersive Verhalten geführter Wellen im Allgemeinen, erschweren die Auslegung und Konzeptionierung der Überwachungssysteme. In der Regel lässt sich der enorme Aufwand bei der Entwicklung und Anpassung nicht vollständig durch Laborversuche abdecken. Der Einsatz Modell-gestützter Methoden ist eine anerkannte Alternative zu Laborversuchen, bedarf allerdings geeigneter und angepasster Simulationsmodelle und –programme. Klassische Modellierungs- und Diskretisierungsverfahren, wie Finite Differenzen, Finite Volumen oder Finite Elemente Methoden, wurden und werden kontinuierlich an die Anforderungen der o.g. Anwendungsfelder angepasst. Insbesondere FEM-Modellierungen können eine hohe Güte bei der Approximation der Wellenfelder liefern, weisen jedoch auch einen enorm hohen Rechen- und Zeitaufwand auf. Angepasste Finite Differenzen Methoden, wie das FDTD-Verfahren, oder Finite Volumen Methoden, wie EFIT, können diesem Nachteil begegnen und werden seit vielen Jahren erfolgreich für die Zerstörungsfreie Prüfung und die Zustandsüberwachung eingesetzt. Auch diese Verfahren weisen jedoch Approximierungsfehler, insbesondere bei der Modellierung gekrümmter Strukturen, auf, die u.a. in der Literatur als „Staircase-Approximation“ bekannt sind. Weiterhin zeigen diese Methoden Nachteile bei der Modellierung mehrschichtiger Laminate, wie sie bei Faserverbundwerkstoffen auftreten, da dünnlagige Materialaufbauten eine sehr feine Diskretisierung erzwingen. Diesen Aspekten widmet sich der vorliegende Beitrag und zeigt Ansätze, Simulationsmodelle gezielt an Anforderungen von Methoden der Zustandsüberwachung basierend auf geführten Wellen anzupassen.

Ein effizientes und stabiles Verfahren zur Berechnung von Laufzeit- und Amplitudenverteilung von Ultraschallwellen für komplexe dreidimensionale Strukturen mit räumlich variierenden Materialparametern ist ein in vielen Bereichen der zerstörungsfreien Prüfung mittels elastischer Wellen häufig anzutreffendes Problem. Besonders im Bereich der permanenten Zustandsüberwachung mit geführten Wellen oder durch Schallemissionsverfahren sind die Einflüsse von Geometrie sowie Materialparameter maßgebliche Einflussfaktoren auf alle Phasen der Überwachung. Von der Planung des Sensornetzwerkes, über die Messungen und die Auswertung können alle Phasen von der Kenntnis der Laufzeit- und Amplitudenverteilung profitieren bzw. sind einige Auswerteverfahren erst damit anwendbar. Im vorliegenden Beitrag wird die Anpassung der Fast-Marching-Methode vorgestellt, sodass neben der klassischen Berechnung der Laufzeiten eine simultane Berechnung der Amplitudenverteilung möglich ist. Dazu wird neben der Eikonal- gleichzeitig die Transportgleichung mittels Finiten-Differenzen-Schema mit zusätzlicher Upwind-Forderung gelöst. Beide Gleichungen sind ein Resultat der Hochfrequenzapproximation der Wellengleichung und stellen eine Eulersche Betrachtungsweise des Problems dar. Dadurch werden Lösungen an vorher definierten Beobachtungspunkten berechnet. In der Praxis hat dies Vorteile gegenüber klassischen Verfahren wie Raytracing, welche eine Langrangsche Betrachtungsweise darstellen, da z.B. zusätzliche Interpolationen entfallen. Das Verfahren wird anhand einiger Beispiele aus der Zustandsüberwachung mit geführten Wellen und ihrer Anwendung erläutert. Außerdem wird dargelegt, wann das Verfahren die optimale Komplexität der Fast-Marching-Methode von O(n log⁡(n)) beibehält.

Der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen im Automobil ist hochattraktiv. Fragen der Betriebssicherheit sind jedoch weiterhin ungeklärt. Faserverbundwerkstoffe weisen ein anderes Schadensverhalten als bisher eingesetzte, metallische Werkstoffe auf. Durch Stoßbelastung können Defekte wie Delaminationen oder Matrixbrüche entstehen, die durch eine visuelle Inspektion nicht erkennbar sind. Im Rahmen des BMBF-geförderten Projekts CarbonSafe (Förderkennzeichen 16ES0333) wurde eine integrierte Lösung entwickelt, die die strukturelle Integrität von CFK-Bauteilen überprüfen kann. Es handelt sich dabei um ein aktives SHM-Verfahren zur werkstattseitigen Überwachung von sicherheitsrelevanten Bauteilen aus Verbundwerkstoffen im Automobil. Die piezoelektrischen Wandler, deren Eignung für den vorgesehenen Einsatzzweck untersucht und bestätigt wurde, und die Leiterbahnen sind dabei in das Bauteil integriert. Die Funktionsfähigkeit des verwendeten SHM-Verfahrens wurde sowohl simulationsgestützt als auch durch Laborversuche nachgewiesen. Die Bewertung der Struktur erfolgt über ein extern angeschlossenes Diagnosegerät. Die Kommunikation zwischen Diagnosegerät und Sensorik erfolgt über ein Bussystem, wodurch das SHM-System im gesamten Fahrzeug mit einem Gerät gesteuert werden kann. Die Auswertung kann dem Benutzer über eine PC-Software oder eine spezielle App auf einem Tablet visualisiert dargestellt werden. Die Erprobung des Systems wurde durch Testfahrten an speziell ausgerüsteten Fahrzeugen ergänzt. Parallel dazu wurden Schulungsunterlagen erarbeitet und den Teilnehmern eines Abschlussseminars als Handout mitgegeben. Die Schulungsunterlagen führen in die Ultraschallprüfung mit geführten Wellen ein und beschreiben das entwickelte System. Sie befördern den Transfer in die industrielle Anwendung, auch in andere Industriesektoren.

Im Rahmen der wachsenden Bedeutung alternativer Energieerzeugung stellen Rotorblätter Bauteile von besonderer Relevanz an Windenergieanlagen dar. Hier ist im bundesdeutschen Durchschnitt alle 4 Jahre mit einem Strukturversagen zu rechnen. Am IKTS wurde ein Messsystem entwickelt, das mit Hilfe von speziellen piezoelektrischen Sensoren die durch Belastungen bzw. Schäden in der Struktur hervorgerufenen Schallemissionssignale aufzeichnen kann. Diese Ultraschallereignisse werden über die Zeit gesammelt, eine Häufigkeitsverteilung ermittelt und hieraus ein Schadensfortschritt abgeleitet. Aufgrund der Blitzschutzproblematik in den Rotorblättern geschieht die Energie- und Datenübertragung zwischen Sensoren und Basisstation an der Blattwurzel über eine optische Verkabelung. Die Interpretation der so gewonnen Daten stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar, da die Schallemissionsereignisse den Schadensmechanismen zugeordnet werden sollen. Dafür sind grundlegende Untersuchungen zu Schallemissionsparametern wie Frequenzgehalt, Signalenergie und Signallänge notwendig, die im Rahmen eines von der SAB geförderten Forschungsprojektes QuantSHM an GFK-Proben durchgeführt wurden. Die relevanten Strukturkomponenten repräsentierenden Proben, welche mit definierten Fehlern versehen waren, wurden in einer Zugmaschine bis zum Versagen belastet und während Zug- und 4-Punkt-Biegebelastung die Schallemissionsereignisse detektiert. Die Ergebnisse zeigen, dass mit diesem Verfahren sowohl eine Ortung des Strukturversagens als auch die Zuordnung von Schadensmechanismen möglich ist

Der Fügeprozess des Falzklebens wird im Automobilbau aufgrund der nicht sichtbaren Fügestellen für Anbauteile, wie bspw. Türen, Hauben oder Klappen eingesetzt. Mittels dieses Fügeverfahrens wird das strukturgebende Innenblech mit dem kundensichtbaren Außenblech gefügt. Die Fügeebene wird sowohl aus Stabilitätsgründen als auch zum Schutz vor dem Eindringen von Feuchtigkeit mit Klebstoff gefüllt. Um die Anforderungen an Klebstoffmenge sowie Klebstoffverteilung sicherzustellen, müssen diese Fügeverbindungen fortwährend geprüft werden. Diese Überwachung erfolgt aktuell durch eine zerstörende manuelle Prüfung. Dies bedingt einen hohen Personalaufwand, Schrottkosten und einen langen Prozessregelkreis. Um die Klebstoffverteilung innerhalb der Falz effizient zu überwachen, wird in einem hohen Maße die Entwicklung einer zerstörungsfreien und inlinefähigen Prüftechnik angestrebt. Als aussichtsreichste Prüfmethode hierfür gilt die Phased Array Ultraschalltechnik. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für keramische Technologien und Systeme in Dresden wird ein Verfahren entwickelt, welches automatisiert alle Falzbereiche im unausgehärteten Klebstoffzustand innerhalb der Linie prüft. Durch die möglichst frühe Prüfung innerhalb der Prozesskette soll ein kurzer Regelkreis ermöglicht werden. In Laboruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass mit den Standardultraschallparametern die benötigte Auflösung und Messstabilität nicht erreicht wird. Mittels FEM Simulationen konnten aus den Amplitudenbildern neue Kriterien abgleitet werden, mit denen insbesondere die Detektionsrate von Mäanderstrukturen verbessert wird. Nach der Implementierung der Bewertungsmethode in die Ultraschallsoftware und dem Aufbau eines Multi Phased Array Prüfsystems ist das Verfahren sowie der Auswertealgorithmus zunächst im Labor hinsichtlich der Detektionsrate getestet und bewertet worden. Im anschließenden Prototypentest innerhalb der Linie ist das Prüfverfahren unter Serienbedingungen qualifiziert worden. Ziel ist der Nachweis, dass die Prüfmethode die notwendige Robustheit gegenüber dem Produktionsumfeld des automobilen Karosserierohbaus aufweist. Im Vortrag werden die Prüfmethode mit dem Auswertealgorithmus, der Validierungsprozess und einige Ergebnisse aus dem Serieneinsatz vorgestellt.

Piezoelektr. US-Wandler auf Basis von Piezokeramik-Polymer-Verbundwerkstoffen finden in Sonaren, in Systemen zur Bauteilüberwachung und zerstörungsfreien Werkstoffprüfung sowie in der Medizintechnik Einsatz. Gewöhnlich werden US-Wandler als 1-3-Piezokomposite ausgelegt, bei denen die Piezokeramik stäbchenförmig in einer und die Matrix in drei Raumrichtungen ausgeprägt ist. Damit erreichen sie gegenüber Vollkeramik überlegene Eigenschaften hinsichtlich mechan. Stabilität, elektromechan. Kopplung und akust. Impedanz. Die Verwendung von piezokeram. Fasern und Perlen als Basiskomponenten ermöglicht dabei auf den Anwendungsfall zugeschnittene US-Wandler mit hoher Frequenzbreite. Am Fraunhofer IKTS steht eine leistungsfähige Spinntechnologie zur Herstellung dichter piezokeram. Fasern (d = 100-800 µm) sowie Perlen (d = 0,8-1,6 mm) zur Verfügung. Zum Aufbau piezoelektr. Komposite werden diese in Polymermatrizes eingebettet. Je nach Applikationsfall lassen sich über gezielte Auswahl und Anordnung der Komponenten, 3D-Bearbeitung der Komposite sowie strukturierte Abscheidung von Elektroden die Wandlereigenschaften einstellen. Faserbasierte 1-3-Piezokomposite mit Arbeitsfrequenzen von 40 kHz ≤ f ≤ 8 MHz werden durch die Infiltration von Faserbündeln mit Polymer realisiert. Aufgrund der quasi uneingeschränkten Faserlänge bzw. Wandlerdicke kann die Resonanzfrequenz der Dickenschwingung in einem breiten Spektrum angeboten werden. Durch eine regellose Anordnung der Fasern im Komposit werden unerwünschte Quermoden vermieden. Für den Einsatz in einem 3D Ultraschall-Computertomografie-System wird eine Vielzahl (ca. 2000 Stück) von US-Wandlern mit einem Durchmesser d = 460 µm und 2 MHz Betriebsfrequenz in einer spezifischen Anordnung benötigt. Dies gelingt durch die gezielte Platzierung und individuelle Ansteuerung von Einzelfasern in 1-3-Piezokomposit-Wandlern. Zur Umsetzung eines fokussierenden US-Wandlers werden piezokeramische Perlen halbkugelförmig angeordnet und vergossen. Nach Abschleifen der Kompositoberfläche und Metallisierung liegt ein Halbschalen-Wandler mit zentrisch angeordneten Piezoelementen vor, der eine natürliche Fokussierung zulässt. Ergebnisse zu dielektr., elektromechan. und akust. Eigenschaften der US-Wandler werden detailliert dargestellt und diskutiert.