In-Line Monitoring

Schwingungsbasierte Strukturüberwachung mittels eines adaptiven EMI-Messkopfes

Hersteller struktureller Komponenten in allen industriellen Branchen stehen der Herausforderung gegenüber, dass sie die gewünschte Qualität sowie die Betriebsfestigkeit ihrer Produkte über die Lebenszeit sicherstellen müssen. Ein vielversprechendes Verfahren in der zerstörungsfreien Prüfung basiert auf der Messung der elektromechanischen Impedanz. Dafür wird normalerweise ein piezoelektrischer Wandler auf die Prüfstruktur geklebt, um die elektromechanische Kopplung herzustellen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass der Wandler nach der Messung nur mit großem Aufwand entfernt werden kann und dadurch das Risiko besteht, die Struktur zu beschädigen. Dies führte bisher zu einer eingeschränkten Anwendbarkeit des Verfahrens, da der Messpunkt nicht flexibel geändert werden konnte und die Sensorik dauerhaft im Bauteil verbleiben musste. Daher hat ein Technologietransfer in die Industrie bisher nur für stationäre Anwendungen stattgefunden.

Innovativer Messkopf des Fraunhofer LBF für die Messung der elektromechanischen Impedanz.

Innovativer Messkopf prüft schwingungsbasiert und zerstörungsfrei  

Bauweise, Auslegungsmethodik, Fertigungsverfahren und Qualitätssicherung müssen im Sinne der Nachweisführung ganzheitlich aufeinander abgestimmt sein. Ein wesentlicher Aspekt sind hierbei Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen und Strukturen, da mit ihrer Hilfe deren einwandfreie Herstellung überprüft wird. Das Fraunhofer LBF hat einen innovativen Messkopf entwickelt, der schwingungsbasiert und zerstörungsfrei den Zustand einer Struktur anhand der elektromechanischen Impedanz prüfen kann. Das Kernelement des Messkopfes ist ein piezoelektrischer Wandler mit einer Größe von 10x10 mm². Die Einzigartigkeit dieses Messkopfes besteht darin, dass er ohne zusätzliches Koppelungsmedium nur an die Prüfstruktur angedrückt wird und so auch wieder entfernt und an die nächste Messstelle bewegt werden kann. Die Prüfstruktur wird somit nicht verändert und es verbleiben auch keine Klebstoffrückstände auf ihrer Oberfläche. Der Messkopf ist imstande, simultan die Prüfstruktur anzuregen und die elektromechanische Impedanz zu messen. Der Energieverbrauch des neuen Messkopfs liegt mit weniger als 500 mW deutlich unterhalb dem konventioneller Messverfahren. Deren Energieverbrauch liegt eine Größenordnung höher. Auch im Hinblick auf die einstellbare, hohe Sensitivität ist der Messkopf konventionellen Verfahren überlegen und kann in der Identifikation von strukturellen Änderungen einen deutlichen Mehrwert für den Kunden aus der Prüf- und Messtechnik bis hin zu Endanwendern in der Automobil- und Luftfahrtindustrie generieren.

Die Vorteile sind dabei im Einzelnen:

  • Identifikation struktureller Änderungen
    • Inline-oder Offline-Detektion von Qualitätsabweichungen oder Materialfehlern
    • Vorausschauende Wartung zur frühzeitigen Identifikation von Strukturänderungen
  • Vibrationsbasierte Messung
    • Höhere Sensitivität für Strukturänderungen im Vergleich zu akustischen oder optischen Systemen
  • Referenzbasierte Messungen
    • Erhöhung der statistischen Zuverlässigkeit und Entscheidungssicherheit
    • Nachverfolgung von strukturellen Änderungen über die Lebenszeit

Prozessoptimierung und maximale Produktqualität

Im Rahmen des durch die Europäische Kommission geförderten Luftfahrt-Forschungsprojekts Clean Sky 2 (Grant Agreement CS2-LPA-GAM-2018-2019-01) ist der Messkopf in ein automatisiertes Messsystem und in die Infrastruktur einer Produktionsanlage integriert worden. Derzeit ist so eine Untersuchung von Strukturen bis zu einer Länge von ca. 8 m möglich. Mittelfristig ist geplant, die Signale des Messkopfs auch direkt für die Prozessoptimierung zu nutzen. Auf diese Weise trägt die Technologie nicht nur zur Überwachung sondern auch zur Maximierung der Produktqualität bei.