Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFZerstörungsfreies Monitoring von Fehlstellen in Sandwichelementen
Phänomen der Blasenbildung an einer Fassade, die mit Reklamationen und Nachproduktion verbunden ist.
ReSaMon - Nachhaltige Herstellung von Sandwichelementen für den Bausektor
Sandwichelemente kommen in Fassaden von Industriehallen und Kühlhäusern zum Einsatz. Im Projekt »ReSaMon« entwickeln die Projektpartner eine zerstörungsfreie und berührungslose Messtechnik, die mögliche Schwachstellen und Änderungen der Materialeigenschaften bereits im Produktionsprozess identifizieren kann.
Das Fraunhofer LBF untersucht die Möglichkeiten von datenbasierten Methoden zur Fehlstellendetektion und -lokalisation im Zusammenspiel mit der entwickelten Messtechnik.
Sandwichelement mit Deckblechen und Schaumkern
Sandwichelemente:
Jährlich werden in Deutschland mehr als 20 Mio. m² Sandwichelemente produziert, 200 Mio. sind es in der EU. Sie bestehen aus zwei metallischen Deckschichten sowie einem Kern aus PUR bzw. PIR-Schaum. Der Aufbau führt zu einer sehr geringen Masse bei gleichzeitig hoher Tragfähigkeit, wodurch die Elemente optimal für den Leichtbau geeignet sind. Daher kommen sie vermehrt als Raumabschluss von Dächern und Wänden im Hochbau, beispielsweise an Fassaden von Industriehallen und Kühlhäusern, zum Einsatz.
Projektidee
Ressourceneffiziente Sandwichelemente durch zerstörungsfreies Monitoring für den Leichtbau
Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) fördert mit einem Forschungsprojekt die optimierte Herstellung der Elemente. Es nennt sich »Ressourceneffiziente Sandwichelemente durch zerstörungsfreies Monitoring für den Leichtbau (ReSaMon)«. Ziel ist die Entwicklung einer zerstörungsfreien und berührungslosen Ultraschallmesstechnik, die mögliche Fehlstellen und Änderungen der Materialeigenschaften in den Sandwichelementen bereits im Produktionsprozess, direkt danach oder im verbauten Zustand identifiziert.
Datenbasierten Methoden zur Fehlstellendetektion und -lokalisation
Das Fraunhofer LBF untersuchte in ReSaMon die Möglichkeiten von datenbasierten Methoden zur Fehlstellendetektion und -lokalisation. Dies erfolgte sowohl simulationsbasiert mithilfe eines Digitalen Zwillings als auch im Zusammenspiel mit der entwickelten Messtechnik. Hierbei kam die langjährige Expertise zum Thema Schwingungstechnik des LBF zusammen mit effizienten Simulationsmethoden und Methoden des Machine Learnings zur Mustererkennung. Rein basierend auf Simulationen konnten Fehlstellen in aufwendig generierten Datensätzen zuverlässig detektiert werden mit einer Erkennungsrate von über 95 %. Dies bedeutet, dass fehlerbehaftete Elemente sehr gut von fehlerfreien unterschieden werden können. Auch die Lokalisation der Fehlstellen funktionierte darüber hinaus erfolgreich mit Erkennungsraten von 76 % und mehr (s. Video).
Finite-Elemente-Modell mit zufällig verteilten Fehlstellen mit variabler Kantenlänge
Die Unterscheidung von fehlerbehafteten und fehlerfreien Elementen anhand experimenteller Daten wurde im letzten Projektjahr untersucht. Hierbei wurden Impulshammer-Messreihen an 20 Sandwichelementen – darunter Elemente mit und ohne Fehlstellen - durchgeführt (s. Abbildung). Es wurde ein Datensatz erstellt, der Zeitdaten und abgeleitete Frequenzspektren umfasst. Aus den Messdaten der 20 Paneele resultierte ein Datensatz bestehend aus 120 Teildatensätzen mit Daten zu je 18 Messpunkten. Nach dem Training des Klassifizierungsalgorithmus, konnte eine Detektionsgenauigkeit der Fehlstellen von 83.33% erreicht werden. Da der Datensatz in Rahmen des Forschungsvorhabens naturgemäß auf einer Kleinserie von Elementen basierte, ist in der realen Anwendung bei deutlich größeren Datensätzen eine noch höhere Detektionsgenauigkeit zu erwarten.
Mehrwert: Verbesserte Produktionsprozesse, weniger Reklamationen und CO2-Emissionen
Profitieren werden Sandwichelement-Hersteller durch die Verbesserung der Produktionsprozesse und damit weniger Reklamationen und CO2-Emissionen.
Sandwichelement ohne Fehlstelle nach Abziehen der Deckbleche
Sandwichelement mit eingelegter Fehlstelle
Versuchsaufbau mit automatischem Modalhammer, Sandwichelement und markierten Messpunkten für das Laser-Doppler-Vibrometer
Förderer und Partner
Förderer: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)
Das Projektkonsortium setzte sich zusammen aus Industriepartnern, Sandwichelement-Experten, Messtechnik-Spezialisten und auch Simulationsexperten, deren Aufgabe es war, einen digitalen Zwilling der Produkte bereitzustellen. Dieser unterstützt dabei, den Zusammenhang zwischen Produktion und Produkteigenschaften besser zu verstehen.
Partner:
- Covestro Deutschland AG
- ArcelorMittal Construction Deutschland GmbH
- iS-engineering GmbH
- Inoson GmbH
- Fachgebiet Mess- und Sensortechnik (MuST) der TU Darmstadt
- Fachgebiet Stahlbau (im IFSW) der TU Darmstadt
- Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF