27.04.2020

Impedanz zerstörungsfrei messen

Neuer Messkopf bestimmt schwingungsbasiert den Zustand einer Struktur.

Ein vielversprechendes Verfahren in der zerstörungs­freien Prüfung struktureller Komponenten basiert auf der Messung der elektro­mechanischen Impedanz. Dafür wird normalerweise ein piezo­elektrischer Wandler auf die Prüfstruktur geklebt, um die elektro­mechanische Kopplung herzustellen. Allerdings lässt sich der Wandler nach der Messung nur mit großem Aufwand entfernen. Dadurch besteht das Risiko, die Struktur zu beschädigen. Dies hat bisher die Anwend­barkeit des Verfahrens eingeschränkt, 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. 

Abb.: Neu entwickelter Messkopf für die Messung der elektro­mechanischen...
Abb.: Neu entwickelter Messkopf für die Messung der elektro­mechanischen Impedanz. (Bild: Fh.-LBF)

Kernelement des am Fraunhofer-Institut für Betriebs­festigkeit und System­zuver­lässigkeit LBF entwickelten Messkopfes ist ein piezo­elektrischer Wandler mit einer Größe von 100 Quadrat­millimeter. Einzigartig am Messkopf ist, dass er ohne zusätzliches Kopplungsmedium nur an die Prüf­struktur angedrückt wird und sich so auch wieder entfernen und an die nächste Messstelle bewegen lässt. 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 Milliwatt deutlich unterhalb dem konven­tioneller Messverfahren, wo er eine Größen­ordnung höher liegt. „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“, sagt Ye Ji Park, die das Projekt am Fraunhofer LBF betreut. Der Messkopf identifiziert strukturelle Änderungen, indem er Qualitäts­abweichungen oder Materialfehler in der inline- oder offline-Fertigung detektiert. Zudem kann er Struktur­fehler frühzeitig erkennen, um ein uner­wartetes Material­versagen zu vermeiden.

Im Zuge einer vibrations­basierten Messung zeigt der Messkopf im Vergleich zu akustischen oder optischen Systemen eine höhere Sensitivität für Struktur­änderungen. Bei referenz­basierten Messungen erhöht der Messkopf die statistische Zuver­lässigkeit und Entscheidungs­sicherheit. Darüber hinaus ermöglicht er es, strukturelle Änderungen über die Lebenszeit nachzu­verfolgen. 

Im Rahmen des durch die Euro­päische Kommission geförderten Luftfahrt-Forschungs­projekts Clean Sky 2 ist der Messkopf in ein auto­matisiertes Messsystem und in die Infra­struktur einer Produktions­anlage integriert worden. Derzeit ist auf diesem Wege eine Unter­suchung von Strukturen bis zu einer Länge von rund acht Metern 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.

Fh.-LBF / JOL

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