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.

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Das Pie­zos­ha­ker-Model wird zur ein­fa­chen Hand­ha­bung mit­tels eines Saug­fu­ßes an der Objekt­ober­flä­che befestigt
(a) Pie­zos­ha­ker Modul, (b) das Hit­ze­schild eines Space­shut­tles X38 © 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

NDTRuder

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

NDTRuder2

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.