Automatisierte ZfP an Leitschaufelringen von Luftturbinen

Hier wird der SE4-Sensor in Kombination mit einem automatisch angeschlossenen Piezoshaker zur dynamischen Anregung eingesetzt. Der SE4 wird beim Frequenzdurchlauf im Time-Average-Modus betrieben, um lokale Defektresonanzen der Verlötung des Dichtungsbandes zu erkennen. Die beiden Messungen unten zeigen präparierte Defekte. Oben: horizontale Scherung, Zeitmittelmodus; Unten: Vertikale Scherung und Stroboskopmodus zur Phasenrekonstruktion.

Anwendung zur Optimierung des Laserstrahlschweißens durch Überlagerung von Ultraschallwellen

Das Potenzial der Ultraschallwellenüberlagerung zur Verbesserung der Eigenschaften des Laserstrahlschweißens wurde am Fachgebiet Trennen und Fügen von Fertigungsverfahren (tff) der Universität Kassel mit einem stationären und einem bewegten Piezoshaker-System untersucht. Ein Beispiel dafür ist der Versuch an der hochfesten Stahllegierung 22MnB5, der hier vorgestellt wird. Eine Adaption auf andere Schweißverfahren und Werkstoffe ist möglich.

Die Einflüsse der verschiedenen Anregungsparameter des Piezoshakers auf die Ultraschallwellenüberlagerung wurden untersucht, z.B. die Verteilung der AlSi-Beschichtungspartikel innerhalb der Fügezone sowie die Schweißnahteigenschaften [1].

Für die Wellenüberlagerung wurde das isi-sys Piezoshaker-System verwendet, wie in Abb. 1 dargestellt. Das System besteht aus einem 2‑kanaligen Piezo-Verstärker der Serie HPDA‑0–180-2C und zwei Piezoshakern der Serie PS-W-02. Die Piezoshaker sind über eine Halterung fest mit der Laseroptik verbunden und werden relativ zur Bauteiloberfläche in einem definierten Abstand zum Laserstrahl bewegt. Mit Hilfe von Pneumatikzylindern werden diese mit einer definierten Kraft auf die Bauteiloberfläche gepresst. Unebenheiten und Stärkendifferenzen der Fügepartner können so kompensiert werden.

Abb. 1 (links):Die Verteilung der AlSi-Beschichtung im Vergleich ohne (a) und © und mit (b) und (e) Einfluss einer Ultraschallwellenüberlagerung durch isi-sys Piezoshaker beim Laserstrahlschweißen mit Falschfarbenbildern der EDS-Analyse (d) und (f) [1]

Abb. 2 (rechts): Überlagerte REM-Bilder und abschnittsweise inverse Polfigurabbildung (IPFM) einer Schweißnaht ohne (a) und mit Ultraschallüberlagerung (b), gemessen mit Elektronenrückstreubeugung, dargestellt als inverse Polfigur in Z‑Richtung [1].

[1] Published in: C. Wolf, S. Völkers, I. Kryukov, M. Graß, N. Sommer, S. Böhm, M. Wunder, N. Köhler und P. Mäckel, „Enhancement of Weldability at Laser Beam Welding of 22MnB5 by an Entrained Ultrasonic Wave Superposition,“ In: Materials 2022, Bd. 15, 4800.

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 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.

Abgasrohr

Exhaust1 Die Ingenieure der Firma Cummins entwickeln und testen ihre Motoren, um reellen Bedingungen der Industrie standzuhalten, die von militärische Einsätzen bis zu großen Industrieanlagen reichen. Sie wollen genaustens erfahren, wie sich ihre Bauteile unter der Kombination von thermischer und mechanischer Belastung verformen. Das bedeutet, sie müssen ihre Tests mit laufenden heißen Motoren durchführen.

Aufgrund der komplexen Spannungsfelder, die unter diesen Bedingungen erzeugt werden, können herkömmliche Dehnungsmessstreifen Cummins Anforderungen nicht genügen. FEM Simulationen sind durch die unsicheren Randbedingungen ebenfalls nur begrenzt möglich. Mit dem Vic-3D System sind Cummins Ingenieure in der Lage detaillierte 3‑dimensionale Dehnungsmessungen durchzuführen. Diese Messungen werden unter reellen Belastungsbedingungen vorgenommen, während der Motor läuft. Darüber hinaus ist der Aufbau des Vic-3D Systems einfach, mit dem System können sowohl kleine Objekte als auch große Baugruppen vermessen werden.

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Paul Gloeckner, leitender Entwicklungsingenieur von Cummins, beschreibt die Nützlichkeit des Vic-3D Systems wie folgt: “Dieses Messgerät erlaubt es uns Untersuchungen vorzunehmen, die bisher nicht möglich waren. Zusätzlich konnten die Messzeiten der Tests reduziert werden.”

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 RotorBlade3 Section RotorBlade4 links: 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

Vergleich Dehnungsmessstreifen / Vic-3D

Bei dieser Untersuchung ging es um einen Vergleich einer Vic-3D Dehnungsmessung mit den Ergebnissen von Dehnungsmessstreifen. Die ausgewählte Acryl-Probe befestigte man dafür in einer Zugprüfmaschine. An der Probenrückseite wurden die Dehnungsmessstreifen angebracht und mit dem SCAD 500 DMS-Messverstäker verbunden. Die Vorderseite sollte für die Bildkorrelationsmessung verwendet und mit dem benötigten Specklemuster präpariert werden. Zum Einsatz kamen 5Mpx CMOS Kameras mit einem Pregius Sensor und einer Bildrate von 75fps. Weil der Ausgang des SCAD 500 mit der DAQ Box des DIC Systems verbunden wurde, konnten die Ergebnisse der Dehnungsmessung parallel aufgezeichnet und in einem Diagramm dargestellt werden.

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Abbildung 1: Vic-3D Messung der Acryl- Probe

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Abbildung 2: Messergebnisse – Vergleich der Dehnungsmessstreifen (rote Kurve) und Vic-3D (schwarze Kurve) [Dehnung ε in Microstrain]

Die Vic-3D Daten entsprechen nahezu perfekt den Ergebnissen der Dehnungsmessung. Auch bei niedrigen Belastungen ist die Differenz weniger als 25 Microstrain.

Dehnungsmessung – 2D Ermüdungstest

In diesem Beitrag werden die Ergebnisse eines 2D Ermüdungstests an einer dicken Stahlplatte mit Kerbe gezeigt. Unter Verwendung einer 2,3 MP Kamera in Kombination mit Vic-2D kann eine hohe Dehnungsauflösung von ungefähr 5 – 10 Microstrain erreicht werden.

Im Video werden die Ergebnisse des Ermüdungstests dargestellt.

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Die Probe wurde einer wechselnden Biegebelastung über die Zeit ausgesetzt, was die grafische Darstellung veranschaulicht.

Dynamische Kompression von Metallen

Dynamic compression Untersuchungen des Verhaltens von Metallen während eines dynamischen Hochgeschwindigkeit-Kompressionsereignisses ist seit jeher aufgrund von komplexen Versuchsaufbauten und hohen Datenerfassungsraten eine große Herausforderung. Derzeit steht nur wenig Literatur über das Verformungsverhalten bei Dehnungsraten von 10 bis 500s^-1 zur Verfügung. Mit einem Vic-3D HS System und Hochgeschwindigkeitskameras können Oberflächenverschiebungen und Dehnungen vollflächig in drei Dimensionen mit einer hohen Genauigkeit quantifiziert werden. Die Bildkorrelation hat in den letzten Jahren in solchen Hochgeschwindigkeitsanwendungen aufgrund seiner hohen Genauigkeit, Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit große Popularität gewonnen.

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In diesem Beispiel wurde eine zylindrische Probe mit einem Durchmesser von 6mm kompremiert. Die Dehnungsrate betrug 50s^-1. Ein Vic-3D HS System erfasst die Oberflächenverschiebungen und Dehnungen während des Versuches. Auf der Probe wird ein zufälliges Specklemuster aufgetragen. Dieses ermöglicht der Analysesoftware einfach und subpixelgenau die Verformung zu verfolgen. Obwohl die Hochgeschwindigkeitskameras in der Lage sind, wesentlich höhere Erfassungsraten zu erreichen, wurde für diesen Test eine geeignete Bildrate von 14,400fps verwendet. Hiermit erreicht man eine maximierte räumliche Auflösung und erhält eine ausreichende Anzahl von Bildern. Die Kameras wurden bei einer Auflösung von 1024 x 400 Pixel getriggert. Im Anschluss an die Messung werden die Bilder auf die Festplatte des Computers übertragen und mit der Vic-3D Analysesoftware nachbearbeitet.

Bilder mit freundlicher Genehmigung von Amos Gilat & Jeremy Seidt an der Ohio State University.

Betriebsschwingungsanalyse eines Mobiltelefons während des Vibrationsalarms

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Referenzkoordinaten und Kontur des Mobiltelefons.

Diese Beispiel zeigt die Messung und Analyse der Betriebsschwingungsformen und Starrkörpervibrationsbewegung eines Mobiltelefons, das mit seinem eigenen Vibrationsalarm angeregt wird, beschrieben. Mit dem berührungslosen 3D Vollfeld High-Speed-Bildkorrelationsssytem in Kombination mit dem Vic-3D FFT Modul analysiert man die aufgenommenen Verformungsdaten im Frequenzbereich mit Hilfe der Phasentrennungsmethode.

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Die gemessenen Verformungen und Verschiebungen während des Vibrationsalarms werden im Vergleich zum Referenzzustand für jedes Stereobildpaar ausgewertet. In diesem Bespiel beträgt die Aufnahmezeit etwa 5,5 s mit 1000 FPS, dementsprechend erhält man ungefähr 5500 Einzelmessungen.

Die folgende Abbildung zeigt die durchschnittliche Schwingungsamplitude U.

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Dehnungsmessung an einer Isolierung für Elektrokabel

Im Video wird das Segment der Schutzhülle eines Elektrokabels (Isolierung) mit einem Durchmesser von 3mm in einer Zugprüfmaschinen bis zum Versagen gedehnt. Während des Experimentes wird mit digitaler Bildkorrelation eine vollflächige Dehnungsmessung vorgenommen.

Applikationen