Jahresbericht 2019

Schwingungsbasierte Strukturüberwachung mittels eines adaptiven EMI-Messkopfes.

Elektro mechanische Impedanz; In-Line Monitoring, Qualitätsprüfung; Piezoelektrischer Wandler

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.

Das Fraunhofer LBF hat eine innovative Methode entwickelt, die es erlaubt, mittels eines adaptiven Messkopfes schwingungsbasiert und zerstörungsfrei den Zustand einer Struktur anhand der elektromechanischen Impedanz zu prüfen.

Konventionell wird für die Erfassung der elektromechanischen Impedanz einer Struktur ein piezoelektrischer Wandler auf deren Oberfläche 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.

Innovatives Messsystem mit hoher Sensitivität

Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher haben ein Messsystem entwickelt, das die genannten Einschränkungen überwindet und die automatisierte Untersuchung von Strukturbauteilen ermöglicht. Dabei stellte die Integration des Messsystems in ein der Industrie entsprechendes Produktionsumfeld einen Schwerpunkt der Arbeit dar. Sie konnten alle relevanten Hard- und Softwareschnittstellen der Fertigungsanlage berücksichtigen und haben die Funktionsfähigkeit des realisierten Systems in der Produktionsanlage aufgezeigt.

Die Einzigartigkeit des am Fraunhofer LBF entwickelten Messkopfes besteht darin, dass er ohne zusätzliches Koppelungsmedium lediglich an die Prüfstruktur angedrückt wird und damit ohne Beschädigung dieser auch wieder entfernt werden kann. Der Messkopf ist imstande, simultan die Prüfstruktur anzuregen und die elektromechanische Impedanz zu messen. Dabei hat der Messkopf mit weniger als 500 mW einen geringeren elektrischen Leistungsbedarf als konventionelle zerstörungsfreie Messverfahren, deren Energieverbrauch um eine Größenordnung höher liegt. Auch im Hinblick auf die einstellbare, hohe Sensitivität ist der Messkopf herkömmlichen Verfahren überlegen und kann in der Identifikation von strukturellen Änderungen Mehrwert für den Kunden aus der Prüf- und Messtechnik bis hin zu Endanwendern in der Automobil- und Luftfahrtindustrie generieren.

Zerstörungsfrei, schnell, automatisiert:

So lässt sich die Identifikation von struktureller Änderung mit dem neuen EMI-Messkopf des Fraunhofer LBF kurz und knapp beschreiben. Egal ob In-Line oder Offline Detektion, die höhere Sensitivität des Verfahrens, referenzbasierte Messungen, kurze Messzeiten und flexible Anpassung an unterschiedliche Positioniereinheiten ermöglichen schnellere und zuverlässigere Rückschlüsse auf Qualitätsabweichungen oder lokale Strukturänderungen (Schäden) als z. B. akustische oder optische Systeme.