Vergleichende zerstörungsfreie Charakterisierung von Schäden in Faserverbundstrukturen (GFK) mittels mobiler Prüfverfahren

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Stand der Technik

2.1 Grundlagen der Windenergieanlagen

2.1.1 Bauweise und Fertigung der Rotorblätter moderner Windenergieanlagen

2.1.2 Überwachung und Prüfung der Rotorblätter von Windenergieanlagen

2.2 Grundlagen der Faserverbundbauteile

2.2.1 Von den Komponenten Faser und Matrix zum Mehrschichtverbund

2.2.2 Beanspruchungsbedingte Schäden in Faserverbundwerkstoffen

2.3 Lokale akustische Resonanzspektroskopie

2.3.1 Physikalische Grundlagen

2.3.2 Prüfung mit der lokalen akustischen Resonanzspektroskopie

2.4 Ultraschall

2.4.1 Physikalische Grundlagen

2.4.2 Prüfung mit Ultraschall

2.5 Optische Lockin-Thermographie

2.5.1 Physikalische Grundlagen

2.5.2 Prüfung mit der optischen Lockin-Thermographie

2.6 Computertomographie

2.6.1 Physikalische Grundlagen

2.6.2 Prüfung mit der Computertomographie

3 Versuchsbeschreibung

3.1 Definierte Schädigung der Prüflinge

3.1.1 Das Fallwerk

3.1.2 Prüflinge

3.1.3 Impaktenergie

3.2 Zerstörungsfreie Schadenscharakterisierung

3.2.1 Messung sichtbarer Parameter

3.2.2 Aufnahmen mit der High Speed Kamera

3.2.3 Durchführung der lokalen akustische Resonanzspektroskopie

3.2.4 Durchführung der Ultraschallprüfung

3.2.5 Durchführung der optischen Lockin-Thermographie

3.2.6 Durchführung der Computertomographie

4 Versuchsauswertung

4.1 Auswertung der Messergebnisse

4.1.1 Auswertung der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen

4.1.2 Auswertung der Eindrucktiefe, Ausbeulung und Abmessung der Trübung

4.1.3 Auswertung der Ergebnisse der lokalen akustischen Resonanzspektroskopie

4.1.4 Auswertung der Ergebnisse der Ultraschallmessung

4.1.5 Auswertung der Ergebnisse der optischen Lockin-Thermographie

4.1.6 Auswertung der Ergebnisse der Computertomographie

4.2 Vergleich und Untersuchung der Übertragbarkeit der Ergebnisse

4.2.1 Vergleich lokale akustische Resonanzspektroskopie – Ultraschall

4.2.2 Vergleich Ultraschall – Computertomographie

4.2.3 Vergleich lokale akustische Resonanzspektroskopie – Referenzmethoden

4.2.4 Vergleich Optische Lockin-Thermographie – Referenzmethoden

4.3 Auswertung der Messergebnisse an realen Prüfobjekten

5 Diskussion

5.1 Impaktierung, Werkstoff, und Schadensmerkmale

5.2 Diskussion der Prüfung mit mobilen Prüfverfahren

5.2.1 Lokale akustische Resonanzspektroskopie

5.2.2 Ultraschallprüfung

5.2.3 Optischen Lockin Thermographie

5.3 Modell zur ganzheitlichen Schadenscharakterisierung

6 Zusammenfassung und Ausblick

Zielsetzung & Themen

Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Evaluierung gängiger und neuer zerstörungsfreier Prüfverfahren zur Untersuchung von Schädigungen in glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK), insbesondere im Hinblick auf ihre Anwendung an Rotorblättern von Windenergieanlagen. Die Forschungsfrage konzentriert sich darauf, wie zuverlässig mobile Verfahren wie die Ultraschalltechnik (USPA) und die lokale akustische Resonanzspektroskopie (LARS) im Vergleich zu hochauflösenden Methoden wie der Mikrocomputertomographie (µCT) Schädigungen charakterisieren können und wie die Übertragbarkeit der Messergebnisse sichergestellt werden kann.

• Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) von GFK-Strukturen
• Vergleichende Analyse von mobilen Prüfverfahren (US, LARS, Thermographie)
• Charakterisierung von Impaktschäden und Referenzdefekten
• Übertragbarkeit von Messergebnissen in der Instandhaltung

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung: Diese Einleitung beleuchtet das Marktwachstum bei faserverstärkten Kunststoffen und Windenergieanlagen sowie die Notwendigkeit zerstörungsfreier Prüfmethoden für die Instandhaltung.

2 Stand der Technik: Hier werden Grundlagen zu Windenergieanlagen und Faserverbundwerkstoffen sowie die physikalischen Prinzipien der untersuchten Prüfverfahren (Resonanzspektroskopie, Ultraschall, Thermographie, Computertomographie) dargelegt.

3 Versuchsbeschreibung: Dieses Kapitel erläutert den Aufbau der Versuche, einschließlich der Einbringung definierter Schäden mittels Fallwerk und der systematischen Vorgehensweise der zerstörungsfreien Schadenscharakterisierung.

4 Versuchsauswertung: Hier werden die Ergebnisse der verschiedenen Prüfmethoden detailliert präsentiert, analysiert und hinsichtlich ihrer Aussagekraft und Übertragbarkeit verglichen.

5 Diskussion: In diesem Kapitel werden die gewonnenen Ergebnisse interpretiert, Stärken und Schwächen der Verfahren diskutiert und Anstöße für ein ganzheitliches Modell zur Schadenscharakterisierung gegeben.

6 Zusammenfassung und Ausblick: Diese Kapitel fasst die Ergebnisse zusammen und bewertet das Potenzial der untersuchten zerstörungsfreien Verfahren für die zukünftige industrielle Anwendung.

Schlüsselwörter

Zerstörungsfreie Prüfung, NDT, Faserverbundwerkstoffe, GFK, Windenergieanlagen, Rotorblätter, Ultraschall, Lokale akustische Resonanzspektroskopie, LARS, Lockin-Thermographie, Computertomographie, Impaktschäden, Schadenscharakterisierung, Materialprüfung

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?

Die Arbeit befasst sich mit der vergleichenden Untersuchung verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren zur Charakterisierung von Schäden in glasfaserverstärkten Kunststoffen, wie sie bei Rotorblättern von Windenergieanlagen vorkommen.

Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?

Zentrale Felder sind die Impaktcharakterisierung in GFK, die physikalischen Grundlagen mobiler Prüftechniken und deren Eignung für die Instandhaltung von Windenergieanlagen.

Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?

Das Ziel ist die Evaluierung und der Vergleich etablierter und neuer zerstörungsfreier Prüfverfahren, um deren Stärken und Schwächen bei der Detektion und Bewertung von Schlagschäden besser zu verstehen.

Welche wissenschaftliche Methode wird zur Prüfung verwendet?

Es werden drei mobile Verfahren – Ultraschall, lokale akustische Resonanzspektroskopie und optische Lockin-Thermographie – sowie die Computertomographie als Referenzmethode genutzt.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Im Hauptteil liegt der Fokus auf der technischen Umsetzung der Versuche, der Auswertung der Messdaten an Prüflingen verschiedener Dicke sowie dem Vergleich der Verfahren hinsichtlich ihrer Detektionsfähigkeit.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Die Arbeit wird durch Begriffe wie zerstörungsfreie Prüfung, Faserverbundwerkstoffe, Windenergieanlagen, Ultraschall und Resonanzspektroskopie charakterisiert.

Welche Bedeutung hat die lokale akustische Resonanzspektroskopie in dieser Studie?

Sie wird als ein neues, potenziell handliches Verfahren evaluiert, dessen Auswertungsskripte in dieser Arbeit entwickelt wurden, um Delaminationen an größeren Flächen effizienter zu detektieren.

Warum ist die Computertomographie wichtig für diese Arbeit?

Sie dient als hochauflösende Referenzmethode, um die tatsächliche Struktur und Art der Schädigungen im Inneren der GFK-Platten dreidimensional abzubilden und so die Ergebnisse der mobilen Verfahren zu validieren.

Was sind die wichtigsten Erkenntnisse für die Anwendung an Rotorblättern?

Die Studie zeigt, dass eine Kombination aus bildgebenden Verfahren (Thermographie) und lokal prüfenden Verfahren (Ultraschall) sowie ein ganzheitliches Überwachungskonzept für die Instandhaltung entscheidend sind.