Vakuumanregung an Batteriepacks

Lufteinschlüsse oder Luftblasen in modernen Batterie-Packs sind ein ernstes und gefährliches Problem. Der isi-sys SE2 Sensor kann kleine und große Fehlstellen (wie Luftblasen, Lufteinschlüsse, Risse oder andere) innerhalb von wenigen Sekunden erfassen. Dabei ist es egal, ob sich die Fehlstellen direkt an der Oberfläche oder tief im Inneren der Probe befinden. Im Beispiel unten wurde ein Batterie-Pack der Universität München, IBW untersucht.

Messaufbau:

Die Probe wurde für den Test in einer Vakuumglaskammer mit dem SE2-Sensor untersucht. Hierbei handelt es sich um eine economische Lösung für manuelle Untersuchungen in der Zerstörungsfreien Prüfung. Um automatisierte Serientests in der Produktion durchzuführen, wären weiterführende Aufbauten notwendig, die von isi-sys angeboten werden.

Prüfverfahren:

Zur Untersuchung der Batterie-Packs sind nur geringe Druckunterschiede von einigen mbar notwendig, die in der kleinen Vakuumkammer in wenigen Sekunden anliegen. Der Sensor überwacht die Batterieoberfläche während der Druckänderung und misst die differentielle Verformung der Oberfläche. Aufgrund der Expansion der Luftblasen und Lufttaschen können die Einschlüsse, wie in den folgenden Bildern zu sehen, lokalisiert werden.

Im ersten Bild wird das Live-Bild des Sensors von dem Batterie-Pack dargestellt.  Das zweite Bild zeigt die rekontruierte Phase, die im Zusammenhang mit dem lokalen Verformungsgradienten steht.

battery pack3

battery pack2

 

Generell hängt die erforderliche Druckdifferenz von der Tiefe und Größe der Fehlstellen ab, sowie von der mechanischen Steifigkeit der getesteten Struktur. Doch im Normalfall benötigt man nur eine geringe Vakuumbelastung, weil die Empfindlichkeit des Sensors für die Aufnahme der Verformungsdifferenz der Oberfläche extrem hoch ist.

z.f.P: Dynamische Anregung am Windturbinenrotorblatt (Segment)

Testobjekt: Glasfaser-Schaum Sandwich (entnommen aus einem Defekten Windturbinenrotoblatt einer Testanlage mit belastungsbedingten Fehlstellen). Die Probe wurde zerstörungsfrei mit dem  SE3 Sensor in Kombination mit der dynamischen Schwingungsanregung durch isi-sys Piezoshaker untersucht. Die Fehlstellen wurden ebenso weiter mit Hilfe einer Farbinfiltration durch mehrere kleine eingebrachte Bohrlöcher zusätzlich sichtbar gemacht.  Die großflächige Delamination auf der Innenseite kann auch von der Außenseite detektiert werden.

Section RotorBlade-a Section RotorBlade2

links: Versuchsaufbau

rechts: Das Ergebnis der Zeitmittelung bei einer Frequenz von 2569 Hz zeigt Ablösungen unterhalb der Oberfläche.

Section RotorBlade3Section RotorBlade4links: Live-Ansicht der Oberfläche mit eingestelltem Scherbetrag.

rechts: Messergebnis der Zeitmittelung des markierten Bereiches im Live-Bild.

 

Delaminationen und Ablösung von Harz-Brücken an Glasfaser-Schaum Sandwich

Es wurden weitere vergleichbare Glasfaser-Schaum Sandwichplatten mit Schaumstoffblöcken und Harz-Brücken mit entsprechenden Fehlstellen präpariert und mit der Shearografie untersucht, um die  notwendigen entsprechenden System- und Anregungsparameter (u. a. Frequenz) und die entsprechenden Grenze für diese Struktur  bei verschiedenen Fehlertype und Größen festzustellen.  Besonderen Einfluss haben die Harz-Brücken und die entsprechenden Schaumwürfel auf die Detektionswahrscheinlichkeit (POD).

Section2 RotorBlade

Die Anregungsfrequenzen der durchgeführten Messungen lauten: 1398 Hz (1), 3133 Hz (2), 2442 Hz (3) and 4906 Hz (4) – die Nummer sind jeweils im Bild dargestellt.

Section2 RotorBlade2

ZfP an Wind-Rotorblättern

Erste Untersuchungen in der Zerstörungsfreien Prüfung mittels Shearografie an einer Windturbinenschaufel im Jahre 1996 von P. Mäckel, L. Yang, G. Kupfer und A. Tiemich an der Universität Kassel. Als Messobjekt diente ein spezielles Windrotorblatt einer Ein-Flügel-Windkraftanlage.

RotorBlade

links: Ablösung von der Oberfläche; rechts: axialer Riss;  Mitte: Veränderungen in der Struktur (unterschiedliche Anzahl von Fieberglasschichten).

Verwendete Anregungsmethode: Belastung durch Erhöhung des Innendrucks (das Schaufelblatt wurde vorher abgedichtet). Mit Hilfe einer manuellen Pumpe wurde ein Druckunterschied gegenüber der Umgebung aufgebaut. Die Streifenmuster zeigen Messungen an verschiedenen Stellen des Objektes. Dabei verhält sich das Streifenmuster proportional zu dem (out of plane) Verformungsgradienten der Oberfläche, wodurch sich die inhomogene Steifigkeit der Struktur identifizieren lässt.

z.f.P mit dynamische Anregung am Hitzeschild eines Raumgleiters

Historische Messung (1998-2000)

Dieses Beispiel kombiniert die Shearography mit der dynamischen Erregung durch ein Piezoshaker Modul für die zerstörungsfreie Prüfung an einem Hitzschild. Das Hitzeschild wurde für das ursprünglich für die ISS vorgesehene Rettungsfahrshuttle X38 aus C-Si_C (Kohlenstofffaser-Silizium Verbundwerkstoff) vom Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) in Stuttgart entwickelt. Die Delaminationen und Fehlstellen werden beim Sweep aufgrund ihrer lokalen Schwingungsmoden sichtbar (wie auch die Eigenschwingungsmoden entsprechend des Phasenresonanzverfahrens). Heute wird das Verfahren bzw. der Effekt bezüglich der Fehlstelle auch als LDR (lokale Defektresonanz bzw. local defect resonance) bezeichnet.

Spacecraft6

Das Piezoshaker-Model wird zur einfachen Handhabung mittels eines Saugfußes an der Objektoberfläche befestigt
(a) Piezoshaker Modul, (b) das Hitzeschild eines Spaceshuttles X38 (c) Spaceshuttle X38 vor dem Abwurf zu einem Testflug.

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Das Bild zeigt die Eigenschwingform unter Anregung des Hitzeschildes bei 1400 Hz.

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Die markierten Bereiche des Bildes zeigen lokale Schwingungsformen von Delaminationsbereichen (Fehlsten) bei den Frequenzen 10kHz bzw. 18 kHz.

Dynamische Anregung an einem Yacht Mast

In der Anwendung wurde ein 30m langer CFK Yacht Mast mit zerstörungsfreier Prüfung vermessen (siehe Bild unten links). Bei der SE1-Messung verwendete man eine dynamische Anregung mit unserem Piezoshaker. Die Ergebnisse der Zeitmittelung (siehe Bild unten rechts) geben einen Hinweis darauf, dass sich unterhalb der Oberfläche eine größere Ablösung ausgehend von einem kleinen sichtbaren Riss befindet. An der Oberfläche endeckt man häufig kleinere Risse, aber nicht alle stehen im Zusammenhang mit einer Ablösung des Materials unterhalb der Oberfläche, bei der eine Reparatur nötigt wird.

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NDT Yacht   NDT Yacht2


SE1 mit Piezoshaker für die dynamische Anregung


Fehlstelle (siehe roter Rahmen) mit Hilfe der Shearografie und dynamischer Anregung aufgespürt


Dynamische Anregung eines Ruderblattes

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Erkennung und Vermessung von Fehlstellen mit dem SE-Sensor auf einem Ruderblatt, angeregt mit dynamischer Belastung.

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Versuchsaufbau für die Messung an einem Ruder mit dynamischer Anregung.

Durch die direkte starre Montage des SE-Sensors auf dem Ruder mit einem Saugfußstativ können Außenmessungen selbst bei starkem Wind durchgeführt werden. Hochwertige Interferenzfilter ermöglichen auch Messungen unter Tageslichtbedingungen.

 

NDTRuder3   NDTRuder5  NDTRuder4

A: 9,3 kHz                                             B: 7,5 kHz                                         C: 5,5 kHz

Die oberen Messergebnisse (zeitliche Mittelung) zeigen lokale Schwingungsmoden der Fehlstellen in Abhängigkeit der inhomogenen Materialsteifigkeit. Selbst bei einem großen Messbereich besteht die Möglichkeit kleine Fehler darzustellen. Die Größe und der Typ genauso wie die Tiefe des Fehlers bestimmen den Normalmode (Resonanzfrequenz) des Fehlerbereiches.