Automated NDT system for filament wound tubes

This sys­tem is used for auto­ma­ted, non-des­truc­ti­ve test­ing of fila­ment wound pipes. The pipes are rota­ted in 90° steps around their axis to moni­tor four cir­cum­fe­ren­ti­al seg­ments. Two SE4 sen­sors with 2 x 4000 px are appli­ed per seg­ment along the tube axis. For a tube length of 1m @ 8000 px, this leads to 0.125 mm/px spa­ti­al pixel reso­lu­ti­on for all 8 image seg­ments. After inser­ting the pipes the ends are auto­ma­ti­cal­ly sea­led and inter­nal pres­su­re is used as the loa­ding method. Sin­ce this cor­re­sponds to the usu­al ope­ra­ting load of the tubes, the mea­su­red defor­ma­ti­on dis­tri­bu­ti­on visua­li­zes main­ly the rele­vant struc­tu­ral defects in con­trast to other loa­ding methods such as ther­mal loa­ding.

Due to the high defor­ma­ti­on sen­si­ti­vi­ty of the SE4 sen­sors com­bi­ned with the high spa­ti­al pixel reso­lu­ti­on even the smal­lest defects can be detec­ted. An ope­ra­tor final­ly cate­go­ri­zes the object as IO / NIO. Auto­ma­ted or AI-based image ana­ly­sis is pos­si­ble, but it depends on the appli­ca­ti­on and detec­tion requi­re­ments. At the end of the mea­su­re­ment, a report is gene­ra­ted and auto­ma­ti­cal­ly stored as a PDF in a direc­to­ry spe­ci­fied by the user.

The tubes are inser­ted and remo­ved manu­al­ly. An exten­si­on with col­la­bo­ra­ti­ve robots or inte­gra­ti­on into pro­duc­tion lines is pos­si­ble. Seve­ral thousand tubes have alre­a­dy been tes­ted per year wit­hout pro­blems and maintenance.

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.

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 eines Yacht-Rumpfes

Die Fir­ma Mari­ne NDE aus Spa­ni­en nutz­te die tech­ni­schen Vor­tei­le unse­res She­aro­gra­fie-Sys­tems für die zer­stö­rungs­freie Unter­su­chung gro­ßer Berei­che. Eine Kom­bi­na­ti­on aus She­aro­gra­fie-Sen­sor und Pie­zo­s­ha­ker-Sys­tem zur dyna­mi­schen Belas­tung half den Mit­ar­bei­tern, den gro­ßen Yacht-Rumpf zu unter­su­chen (sie­he Bild unten). Die Hül­le aus hoch­ent­wi­ckel­tem Ver­bund­werk­stoff und einer Län­ge von 30,5 m ist Teil einer zukünf­ti­gen Hoch­leis­tungs-Segel­yacht. In drei Arbeits­ta­gen mit nur 240 Mes­sun­gen konn­te die gesam­te Hül­le auf­grund der voll­flä­chi­gen Mes­sung des She­aro­gra­fie-Sen­sors unter­sucht werden.

 

 

Der Yacht-Rumpf besteht aus einer Ver­bund­ma­te­ri­al-Kon­struk­ti­on, bei der ins­be­son­de­re ein Waben­kern den Innen­raum bildet.

Marine NDT1Marine NDT3

 

 

 

 

 

 

Auf der lin­ken Sei­te – Das She­aro­gramm eines detek­tier­ten Anbin­dungs­feh­lers (sie­he rotes Oval). Der gel­be Kreis mit dem X mar­kiert die Posi­ti­on für das Bohr­loch auf der rech­ten Sei­te. Die zer­stö­ren­de Prü­fung bestä­tigt die Mess­ergeb­nis­se des She­aro­gramms. Erkenn­bar ist eine signi­fi­kan­te Ablö­sung zwi­schen der Waben­kern­struk­tur und der Klebefolie.

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 © Space­shut­tle X38 vor dem Abwurf zu einem Testflug.

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spacecraft2

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

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spacecraft3

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.