DE102012006155B4

DE102012006155B4 - Sensoreinrichtung und Verfahren zur Detektierung und Lokalisierung von Rissen in Bauteilen

Info

Publication number: DE102012006155B4
Application number: DE102012006155.2A
Authority: DE
Inventors: Sergej Aman; Alexander Aman; Martin Molitor
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: DE102012006155A1; WO2013143704A2; WO2013143704A3

Abstract

Vorrichtung (6, 12, 23) zur Ermittlung von Rissen (11, 14) und Rissentstehungsprozessen in Bauteilen (2, 10, 18, 24), vorzugweise von elektrisch leitfähigen Kunststoffbauteilen, mit – zumindest einer elektrischen Spannungsquelle (5, 20, 25), die zum Anlegen einer Spannung an einem Bauteil (2, 10, 18) geeignet ist, wobei mittels der elektrischen Spannung während der Entstehung und Ausbreitung von Rissen und/oder Mikrorissen oder bei vorhandenen Rissen Radio- und/oder Mikrowellen induziert werden, – zumindest einer Sensoreinrichtung (8, 9, 15), die die Radio- und/oder Mikrowellen (3, 7, 16), die an den Rissen entstehen, empfängt und in elektrische Signale umwandelt, wobei die Sensoreinrichtung in einem Frequenzbereich von 16 kHz bis 100 GHz arbeitet und – Mitteln zum zusätzlichen Aufbringen einer einmaligen oder zyklischen mechanischen Belastung auf das Bauteil (2, 10, 18, 24), wobei diese Mittel eine Ultraschallquelle, eine Vibrationsquelle oder Mittel zur Biege- und/oder Zugbeanspruchung sein können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektierung und Lokalisierung von Rissen in Bauteilen, die vorzugsweise kohlefaser- oder stahlfaserverstärkte Verbundwerkstoffe umfassen oder Kunststoffe, die mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet sind.
Sowohl während des Betriebes von Maschinen mit derartigen Bauteilen als auch im Ruhezustand dieser, besteht ein großer Bedarf, den Zustand der Werkstoffstruktur auf Schäden, wie zum Beispiel Risse, zu überwachen. Aus diesem Grund müssen diese Maschinen außer Betrieb genommen werden, um eine detaillierte zerstörungsfreie Prüfung der Bauteile durchführen zu können. Diese Außerbetriebnahme mit anschließender Prüfung ist oft mit einem enormen Aufwand bei der Demontage und Montage des zu prüfenden Bauteils verbunden. Die daraus resultierenden Kosten bei hochwertigen Maschinen, wie zum Beispiel bei Luftfahrzeugen, für welche diese Prüfung insbesondere wichtig ist, liegen oft im 5- bis 6-stelligen Bereich. Um diesen Aufwand zu minimieren, wurden Verfahren entwickelt, welche eine Mikrowellenemissionsanalyse zur Grundlage haben.
Bekannt aus der WO 90/09582 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen des Auftretens oder Ausbreitens von Brüchen oder Rissen in Materialien, Werkstücken, Bauteilen und ähnlichem, insbesondere in erdbebengefährdeten Gebieten. Hierbei werden die Zeitpunkte, die Zeitdauer und die Häufigkeiten einzeln, zusammen oder in beliebiger Kombination bestimmt und ausgewertet, in denen die elektrischen Feldveränderungen einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigen.
Aus DE 25 57 658 A1 ist ein Verfahren zur Prüfung von Bauteilen auf Anrisse oder Fehlstellen und ähnliches bekannt, bei dem an einem Prüfling hochfrequenter Wechselstrom angelegt wird und der Spannungsabfall auf der Prüfstrecke in Abhängigkeit von der Frequenz gemessen wird. Hierbei wird die Frequenz des angelegten Wechselstroms etwa auf 105 bis 109 Hz gesteigert.
DE 42 04 934 A1 offenbart ein Verfahren zur Erkennung und Beurteilung von Fehlstellen in nicht leitfähigem Material, insbesondere in Natur- und Kunststeinplatten und Betonoberflächen, bei dem das in den Fehlstellen befindliche Wasser durch Mikrowelleneinstrahlung aufgeheizt wird und die Temperaturüberhöhung gegenüber dem umgebenden nicht leitfähigen Material durch ein bildgebendes Verfahren, insbesondere thermografisch, erfasst wird, wobei Fehlerstrukturen durch Bildverarbeitungstechniken wie Differenzbildung während des Aufheizens herausgehoben werden und ihre dreidimensionale Ausdehnung, insbesondere die Fehlertiefe, beurteilt wird Dabei wird durch den Produktionsprozess schon vorhandenes oder besonders eingebrachtes Wasser in den Fehlstellen durch einen in der Frequenz auf die Energieabsorption des Wassers abgestimmten Mikrowellenstrahlers aufgeheizt. Die hierbei entstehende Temperaturverteilung wird an der Objektoberfläche gemessen und das so gewonnene Temperaturbild zur Beurteilung von Fehlerort und Fehlertyp, insbesondere Tiefe, herangezogen.
Aus DE 100 53 112 A1 sind eine Prüfvorrichtung und ein Prüfverfahren zur thermografischen Analyse von Prüflingen, insbesondere zur Detektion von Delaminationen, Rissen oder Materialfehlern in Oberflächen bekannt. Diese umfasst einen Senders, mit dem ein Prüfling zumindest bereichsweise mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagbar ist und einen Empfänger, mit dem eine mit dem Sender in den Prüfling eingebrachte Wärmemenge und/oder eine Ausbreitung dieser Wärmemenge in dem Prüfling zumindest bereichsweise detektierbar ist, wobei der Sender ein Mikrowellensender ist.
Aus WO 90/09582 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen des Auftretens von Rissen und Brüchen bekannt, wobei eine Spannungsquelle an ein Bauteil angelegt wird und mit einer Sensoreinrichtung die Radiowellen, die an den Rissen entstehen, aufgenommen werden.
Bisher praktisch genutzte Verfahren, welche die Mikrowellenemission nutzen, sind nur zum Detektieren von entstehenden, großen Rissen geeignet. Eine Bestimmung des Schädigungszustandes ist wegen niedriger Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Mikrowellen mit diesen Verfahren sehr problematisch. Dementsprechend ist eine Sicherheitsbewertung von Bauteilen, im Sinne einer Restlebensdauerdiagnose, allein durch ein Detektieren der Rissentstehung mit Hilfe der Mikrowellenemission nur begrenzt möglich.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um den Schädigungszustand eines Bauteils mit Hilfe der Mikrowellenemission bestimmen zu können und um eine Vorhersage eines Bruchvorgangs zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 6 sowie den weiteren vorteilhaften Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Ermittlung von Rissen und Rissentstehungsprozessen in Bauteilen, vorzugweise von elektrisch leitfähigen Kunststoffbauteilen, mit

– zumindest einer elektrischen Spannungsquelle, die zum Anlegen einer Spannung an einem Bauteil geeignet ist, wobei mittels der elektrischen Spannung während der Entstehung und Ausbreitung von Rissen und/oder Mikrorissen oder bei vorhandenen Rissen Radio- und/oder Mikrowellen induziert werden,
– zumindest einer Sensoreinrichtung, die die Radio- und/oder Mikrowellen, die an den Rissen entstehen, empfängt und in elektrische Signale umwandelt, wobei die Sensoreinrichtung in einem Frequenzbereich von 16 kHz bis 100 GHz arbeitet und
– Mitteln zum zusätzlichen Aufbringen einer einmaligen oder zyklischen mechanischen Belastung auf das Bauteil, wobei diese Mittel eine Ultraschallquelle, eine Vibrationsquelle oder Mittel zur Biege- und/oder Zugbeanspruchung sein können.

Die Vorrichtung ermöglicht es, Maschinen und Bauteile während des Betriebes auf Risse und Rissentstehungsprozesse zu untersuchen. Daneben besteht auch die Möglichkeit der Detektierung von bereits vorhandenen Rissen bei der Außerbetriebnahme von Maschinen und Bauteilen.
Um die Rissentstehung an Bauteilen mit Hilfe der Mikrowellenemission berührungslos detektieren zu können, wird eine elektrische Spannung an einem zur Prüfung stehenden elektrisch leitfähigen Material, bzw. an einem Material umfassend beispielsweise elektrisch leitende Fasen, vorzugsweise Stahl- oder Kohlefasern oder elektrisch leitende Füllstoffpartikel, im Folgenden Partikel genannt, angelegt.
Eine Mikrowellenemission kann dabei sowohl während des Kontaktbruches oder während der Kontaktentstehung bei der Schädigung des elektrisch leitenden Materials entstehen. Basierend auf der angelegten Spannung kann die entstehende Mikrowellenemission sicher während der Schädigung, zum Zeitpunkt des Kontaktbruches oder der Kontaktentstehung der elektrisch leitfähigen Komponente des Bauteils von einer oder mehreren Sensoreinrichtungen registriert werden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Vorrichtung mehrere Sensoreinrichtungen in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, um so die Position des Risses in oder an einem Bauteil zu bestimmen. Bei Vorhandensein einer Sensoreinrichtung kann die Größe des Risses bestimmt werden.
Bei einer Ausführung der Vorrichtung, in welcher zwei oder mehrere Sensoreinrichtungen vorgesehen sind, können ein oder mehrere Risse genau lokalisiert werden und zudem eine Rauschminimierung erreicht werden. Je nach Anordnung der Sensoreinrichtungen bezüglich ihrer Position zueinander sind somit in Bauteilen die Position und Größe von Rissen bestimmbar.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, in der die Sensoreinrichtung folgende Mittel aufweisen kann:

– einen Empfänger,
– der eine Antenne, eine Blechplatte, ein Kabel, ein anderer elektrischer Leiter oder das zu prüfende Bauteil selbst sein kann.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Sensoreinrichtung weiterhin einen Mikro- und/oder Radiowellenwandler oder einen Verstärker und/oder eine Diode und/oder einen Korrelator und/oder einen Multiplikator und/oder einen Mixer und/oder einen oder mehrere Filter aufweist.
Das zu prüfende Bauteil kann ebenfalls als Empfangsgerät wirken.
Der Vorteil durch die Verwendung eines zusätzlichen Verstärkers besteht in einer sichereren Detektierung von Signalen mit niedrigen Amplituden.
Der Vorteil durch die Verwendung einer zusätzlichen Diode, zum Beispiel einer Schottky-Diode, besteht in einer Umwandlung des hochfrequenten Mikrowellensignals in ein niederfrequentes Videosignal, welches die Anwendung von kostengünstigen Geräten, die im niederfrequenten Bereich funktionieren, für die Detektierung von Signalen ermöglicht.
Der Vorteil durch die Verwendung eines Korrelators besteht in der Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Dies ermöglicht die Detektierung von Signalen mit geringen Amplituden bzw. Signalen kleinen Rissen.
Der Vorteil durch die Verwendung eines Multiplikators besteht in der Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Dies ermöglicht die Detektierung von Signalen mit geringen Amplituden bzw. Signalen kleinen Rissen.
Der Vorteil durch die Verwendung eines Mixers besteht in einer genauen Auswahl der zu verstärkenden Frequenz des Signals.
Der Vorteil durch die Verwendung eines Filters besteht in einer Auswahl des Frequenzbereiches in dem das Signal erwartet wird.
Die mechanische Belastung, die einmalig oder zyklisch auf ein Bauteil einwirkt oder aufgebracht wird, kann hierbei schlagartig, d. h. mit hoher Geschwindigkeit oder mit geringer Geschwindigkeit erfolgen.
Bei Bauteilen, die sich außer Betrieb befinden kann eine zusätzliche Ultraschallquelle, zum Beispiel ein Ultraschallgerät, eine periodische mechanische Schwingung im Bauteil erzeugen.
Bei massiven Bauteilen kann durch eine Vibrationsquelle eine periodische mechanische Schwingung im Bauteil erzeugt werden. Die Anregung einer periodischen mechanischen Schwingung mit einer Ultraschallquelle ist bei besonders massiven Bauteilen ineffektiv. In diesem Fall lohnt es sich eine leistungsstarke Vibrationsquelle zu verwenden.
Bestimmte Bauteile erfordern eine genaue Definition der Ursachen von Mikrorissentstehungsprozessen unter speziellen Bedingungen. Beziehungsweise können Untersuchungen zu Rissentstehungsprozessen bei Biege und Zugbeanspruchung für die Modellierung von spezifischen, komplex geformten Bauteilen vorgenommen werden.
Mit derartigen Mitteln kann eine mechanische Belastung derart eingebracht werden, dass eine Mikrowellenemission an den sich kontaktierenden und/oder abstoßenden Faserenden an den vorhandenen Rissufern, bzw. den Rissufern und einer metallischen Oberfläche hervorgerufen werden kann.
Erfindungsgemäß können die Risse und/oder Mikrorisse durch die Emission von Mikrowellen infolge der sich kontaktierenden und/oder abstoßenden Faserenden an den vorhandenen Rissufern durch die relative Bewegung der Fasern zu einander, an denen eine elektrische Spannung anliegt, detektierbar bzw. registrierbar gemacht werden. Diese Bewegung kann durch Ultraschallwellen im Bauteil, die durch eine Ultraschallquelle ausgesandt werden erzeugt werden.
Ebenso kann eine Relativbewegung der Fasern zu einander durch das Aufbringen einer Vibration mit einer Vibrationsquelle erzeugt werden. Die dabei entstehenden Mikrowellen können von einer Sensoreinrichtung empfangen werden.
Die Vorrichtung kann zur Ermittlung von Schadenszuständen von Fahrzeugbauteilen, Raumfahrtbauteilen, Flugzeugbauteilen, Schiffsbauteilen, militärtechnischen Geräten, Fahrstühlen, Windkraftanlagen, Gebäuden und Gebäudeteilen sowie von Produkten der Medizintechnik verwendet werden.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ermittlung von Rissen und Rissentstehungsprozessen in Bauteilen, vorzugweise in elektrisch leitfähigen Kunststoffbauteilen, mit folgenden Verfahrensschritten:

– Anlegen einer elektrischen Spannung an das Bauteil mit zumindest einer Spannungsquelle, wobei durch Radio- und/oder Mikrowellen während der Entstehung und Ausbreitung von Rissen und/oder Mikrorissen oder bei vorhandenen Rissen induziert werden,
– Empfangen der Radio- und/oder Mikrowellen, die an den Rissen entstehen in einem Frequenzbereich von 16 kHz bis 100 GHz und umwandeln in elektrische Signale mittels zumindest einer Sensoreinrichtung,
– wobei auf das Bauteil durch Ultraschall, durch Vibration oder durch Biege- und/oder Zugbelastung zusätzlich eine mechanische Belastung aufgebracht werden kann.

Besonders geeignet sind die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren für Bauteile, die

– Faserverbundwerkstoffe umfassen, mit elektrisch leitfähig gemachten Fasern oder elektrisch leitfähigen Fasern, wie beispielsweise Kohle- bzw. Stahlfasern oder
– Kunststoffen mit einer metallischen Beschichtung umfassen.

Hierbei werden als leitfähige Kunststoffbauteile beispielsweise Bauteile verstanden, die leitfähige Kunststoff-Fasern und/oder leitfähige Partikel enthalten und/oder leitfähig gemachte Fasern und/oder leitfähig gemachte Partikel und/oder mit elektrisch leitfähigem Material beschichtete Kunststoffe, wodurch das Bauteil in die Lage versetzt wird, Radio- oder Mikrowellen, während der Entstehung und Ausbreitung von Rissen und Mikrorissen und in Gegenwart einer elektrischen Spannung zu erzeugen.
Als elektrisch leitfähige Kunststoff-Fasern und/oder elektrisch leitfähig gemachte Fasern kommen beispielsweise

– Kohlefasern,
– Aramidfasern,
– Glasfasern, vorzugsweise mit elektrisch leitfähiger Beschichtung,
– Keramikfasern, vorzugsweise mit elektrisch leitfähiger Beschichtung

Ebenso können elektrisch leitfähige Partikel oder elektrisch leitfähig gemachte Partikel ein elektrisch leitfähiges Material umfassen. Vorzugsweise sind diese Partikel mit einem derartigen Material beschichtet.
Das Verfahren basiert auf der Registrierung der Radio- und/oder Mikrowellenemission, während der Entstehung und Ausbreitung von Rissen und/oder Mikrorissen, in unter einer angelegten elektrischen Spannung befindliche Bauteile.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass im Falle von mechanischen Belastungen während des Betriebs von Bauteilen das zusätzliche Aufbringen von beispielsweise Ultraschall oder Vibration zu einer Verbesserung des Verfahrens geführt hat, derart, dass bereits kleinste Mikrorisse detektierbar gemacht werden konnten. Beispielsweise könnten sich im Falle von hohen statischen Belastungen Mikrorisse nur langsam ausbreiten und die daraus resultierende Signalamplitude zu gering sein, um ein detektierbares Signal zu liefern.
Durch das Aufbringen einer zusätzlichen Belastung, beispielsweise in Form von Ultraschall oder Vibration können auch diese Mikrorisse, die zu Schadensfällen führen können, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung erfasst werden.
Als ein mögliches Ausführungsbeispiel kann ein sich in der Luft befindendes Flugzeug betrachtet werden. Während des Fluges entstehen mechanische Schwingungen, die zu einer ständigen mechanischen Bewegung der Flugzeugbauteile, wodurch die Bildung von Rissen und/oder Mikrorissen in einem Bauteil des Flugzeuges hervorgerufen werden kann.
Somit kann es zu einer Entstehung und Auflösung von Kontakten auf einer Rissoberfläche der Risse oder Mikrorisse führen, wie zum Beispiel bei der Schwingung von Tragflächen bei der Landung. Hierbei besteht kein Bedarf an einer zusätzlichen mechanischen Anregung, um die Risse oder Mikrorisse detektierbar und/oder registrierbar zu machen.
Wenn sich das Flugzeug außer Betrieb am Boden befindet, unterliegt es keinen durch den Betrieb verursachten mechanischen Schwingungen mehr und in diesem Fall werden keine Mikrowellen emittiert. Um eine Rissdetektierung trotzdem gewährleisten zu können, wird erfindungsgemäß eine zusätzliche mechanische Schwingung zur am Bauteil anliegenden elektrischen Spannung auf die Tragfläche aufgebracht.
Das Verfahren weist folgende Vorteile auf:

– die Detektierung kann on-line und berührungslos während der Rissentstehung erfolgen,
– einfach handelbare Lokalisierung von Rissen und ihrer Größe,
– eine Vorhersage über den Ausfall des Bauteils, beziehungsweise des Bruches, kann sofort getroffen werden und
– das Bauteil kann somit während des Betriebs on-line auf Schäden und Alterung überwacht werden.
– Außerhalb des Betriebes können bereits vorhandene Risse nachgewiesen werden

Verwendet werden kann die Vorrichtung zur Ermittlung des Schädigungszustandes von

– Bauteilen, beispielsweise Fahrzeugbauteilen, Raumfahrtbauteilen, Flugzeugbauteilen, Schiffsbauteilen, militärtechnischen Geräten, Fahrstühlen, Windkraftanlagen,
– Untersuchungen an Gebäuden und deren Bauteilen (beispielsweise Häuser in von Erdbeben gefährdeten Gebieten)
– Produkte der Medizintechnik
– Beurteilung des Schädigungszustands von Gebrauchsgegenständen, beispielsweise von Fahrrädern und Sportgeräten wie beispielsweise Ski, Angelruten und ähnliches.

Beispielhaft werden Ausführungsformen der Erfindung in den nachfolgenden Figuren dargestellt und näher beschrieben, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.
Hierbei sind die im Folgenden beschriebenen Versuche vorzugsweise an mit Kohlefasern verstärkten Kunststoffplatten (CFK-Platten) durchgeführt worden.
Für die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Sensoreinrichtung und das Verfahren zur Ermittlung des Schädigungszustandes wird somit ein breites Feld an Anwendungsmöglichkeiten aufgezeigt, welches in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung angesiedelt sein kann.
Es zeigen:
1: schematisch eine Anordnung, die eine Mikrowellenemission während eines Risses einer Stahl- bzw. Kohlefaser induzieren kann,
2: eine Vorrichtung, bei der schematische eine Positionierung von mehreren Mikrowellenantennen, die eine Lokalisierung der Rissposition- und Größe ermöglichen, vorgesehen ist,
3: eine Vorrichtung, bei der die Anregung der Mikrowellenemission bei bereits vorhandenen Rissen im Bauteil infolge einer Anregung mittels einer mechanischen Schwingung schematisch dargestellt ist und
4: das Ersatzschaltbild für eine Vorrichtung, bei der durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Radio- bzw. Mikrowellenemission in einem Bauteil entstehen kann.
5: eine Kohlefaser als elektrische Schaltung,
6: die Stromänderung in der Faser,
7: einen sehr kurzen elektromagnetischen Impuls als Dirac-Stoß dargestellt,
8: ein elektrisches Modell von mehreren Faserbrüchen,
9: die Stromstärke und Amplitude der Mikrowellenemission bei mehreren aufeinander folgenden Faserrissen,
10: eine Schlagvorrichtung,
11: eine elektrische Schaltung umfassend CFK,
12: einen Messaufbau,
13: eine Anordnung einer Kugel auf dem CFK mit einem Kugeldurchmesser (3,8 mm) im Vergleich zu dem Durchmesser der Öffnung in der Kunststoffunterlage (10 mm).
14: die Position der Kugel nach dem Eindringen in den CFK-Körper,
15: eine Bildaufnahme einer Bruchoberfläche mit Fasern mit einem Mikroskop,
16: einen Querschnitt des durch die Kugel verursachten Schädigungsquerschnittes
17: eine Antwort auf zwei Dirac-Stöße. Registriert mit der 5 GHz-Antenne,
18: eine Signalverstärkung in Abhängigkeit der Frequenz,
19: eine Darstellung des Mikrowellensignals im Zeitbereich von 5 bis 35 ms.
20: eine Darstellung des Mikrowellensignals im Zeitbereich von 14,34 ms bis 14,46 ms
21: eine Übersicht über die Verteilung der Versuche nach der Impulsanzahl und
22: ein Mikrowellensignal infolge eines Impacts bei einem CFK-Werkstoff.
Die dargestellten Abbildungen zeigen die Anwendbarkeit der entwickelten Vorrichtung und Methode zur Detektierung bzw. Registrierung von Rissen und/oder Mikrorissen während ihrer Entstehung, bzw. von bereits vorhandenen Rissen.
In der 1 wird schematisch eine Anordnung 1 dargestellt, bei der am Beispiel einer Faser 2, beispielsweise einer Stahl- bzw. Kohlefaser während eines Risses eine Mikrowellenemission oder eine elektromagnetische Emission 3 aufgrund von Ladungstrennungsprozessen 4, an dieser Faser bzw. einer metallisch beschichteten Oberfläche, die stromdurchflossen ist und von einer elektrischen Spannungsquelle 5 mit elektrischer Spannung versorgt wird, erfolgen kann.
Bevorzugte Frequenzen für die Mikrowellenemission 3 sind hierbei 16 kHz bis 100 GHz.
Die Anordnung 1 umfasst neben der Faser 2, auf die eine Kraft F einwirkt, um diese zum Bruch zu bringen, eine elektrische Spannungsquelle 5.
In 2 wird schematisch eine Vorrichtung 6 dargestellt, bei der mehrere Sensoreinrichtungen 8 und 9 beispielsweise in Form von Antennen angeordnet sein können, um die genaue Position eines Risses oder Mikrorisses 11 und einer Rissgröße vorhersagen zu können.
Die Positionierung von zwei Sensoreinrichtungen 8 und/oder 9 in einem Abstand zu einander und/oder einem Abstand zum Bauteil 10 ermöglicht bei einer geeigneten Ausrichtung der Sensoren in erwarteter Ausbreitungsrichtung des Risses die genaue Lokalisierung des Risses. Bei bekannter Wellenlänge der Mikrowellenemission kann anhand des Zeitunterschiedes zwischen den Mikrowellenimpulsen der ankommenden Signale eine Ortsbestimmung vorgenommen werden.
Die Sensoreinrichtungen 8 und 9 können gleicher oder verschiedener Bauart sein und in unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeiten. Beispielsweise können ein Mikrowellensensor 8 und/oder ein Radiowellensensor 9 vorgesehen sein. Die Frequenzbereiche sind materialspezifisch und rissgrößenabhängig.
Die Positionierung von zwei oder mehreren Sensoreinrichtungen 8 und 9 in einem Abstand zu einander und deren Orientierung sowie der Abstand zum Bauteil ermöglicht bei einer geeigneten Ausrichtung der Sensoren in erwarteter Ausbreitungsrichtung des Risses die genaue Lokalisierung des Risses. Bei bekannter Wellenlänge der Mikrowellenemission kann anhand des Zeitunterschiedes zwischen den Mikrowellenimpulsen eine Positionsbestimmung vorgenommen werden.
Die Positionierung von zwei oder mehreren Mikrowellensensoren 9 nahe zu einander ermöglicht bei einer geeigneten Ausrichtung der Sensoren in erwarteter Ausbreitungsrichtung des Risses die genaue Größenbestimmung des Risses. Bei bekannter Wellenlänge der Mikrowellenemission kann anhand des Zeitunterschiedes zwischen den Mikrowellenimpulsen eine Größenbestimmung vorgenommen werden.
Die Antennen zur Identifizierung der Mikrowellenemission 7 oder elektromagnetischen Emission 7 können sich hierbei sowohl auf dem zu überwachenden Bauteil 10 befinden, als auch sich in einem bestimmten Abstand vom Bauteil. Der Abstand kann bis zu 1000 m zum Bauteil 10 betragen. Das Bauteil und die Sensoreinrichtung können getrennt voneinander durch natürliche oder künstliche Barrieren, beispielsweise Wände, Berge, Gestein, Abschirmvorrichtungen und ähnliches sein, sofern sie für Mikro- und Radiowellen in den zuvor genannten Frequenzbereichen durchlässig sind.
Der Vorteil dieser Vorrichtung und dem damit ausführbaren Verfahren besteht darin, dass bei einer angelegten Spannung die Mikrowellen oder elektromagnetischen Wellen infolge der Entstehung von feinen Rissen sicher registriert werden können.
Der weitere Vorteil dieser Vorrichtung bzw. der damit ausführbaren Methode besteht darin, dass Mikrowellen infolge von Rissentstehungsprozessen in einem breiten Frequenzbereich auftreten, in dem zusätzlich auftretende und störende elektromagnetische Wellen eliminiert werden können. Störende elektromagnetische Wellen können beispielsweise auf bestimmten Frequenzen von Radarfunk verursachte Mikrowellen sein.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Risse berührungsfrei und ohne großen Aufwand registriert werden können.
In 3 wird schematisch mit einer Vorrichtung 12 dargestellt, wie die Mikrowellenemission 16 bei bereits vorhandenen Rissen 14 in einem Bauteil infolge einer mechanischen Belastung 19, gekennzeichnet mit V bzw. einem Ultraschall 21 mittels Ultraschallgerät 13 im Bauteil 18, induziert werden kann.
Verfahrensgemäß ist es zur Registrierung der bereits vorhandenen Risse notwendig, zusätzlich zu der in 2 beschriebenen Vorrichtung mit Sensoreinrichtung, mechanische Schwingungen, wie zum Beispiel Ultraschall mit einer dafür geeigneten Einrichtung 13 in das Bauteil 18 einzubringen und somit ein periodisches Kontaktieren der gebrochenen Fasern 17 an ihren Faserenden im Bereich des Risses 14 zu ermöglichen.
Die Vorrichtung 12 umfasst zumindest eine Sensoreinrichtung 15 zur Ermittlung eines Schädigungszustandes von nach einer Belastung wieder im Ruhezustand befindlichen Bauteilen, vorzugsweise umfassend Kohlefaserverbundwerkstoffe, Faserverbundwerkstoffe, die mit Stahlfasern verstärkt sind und/oder metallisch beschichteten Kunststoffen.
Basierend auf einer elektromagnetischen Emission in Form einer Radiowellenemission und/oder einer Mikrowellenemission 16, die beim Anlegen einer Spannung mittels der elektrischen Spannungsquelle 20 induziert werden, bestehend aus Impulsen, während der Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen 14 bis zu einer Mindestgröße von etwa 10 nm, ist vorgesehen, dass ein elektromagnetischer Impuls durch das Trennen oder durch neuen Kontakt zwischen einer oder mehrerer, unter elektrischer Spannung stehender Fasern, wie beispielsweise Kohle- oder Stahlfasern, induziert wird, sowie durch die Rissbildung einer unter elektrischer Spannung stehender metallisch beschichteten Oberfläche.
Auch hierbei werden sämtliche leitfähige Kunststoffbauteile verstanden, die leitfähige Kunststoff-Fasern und/oder leitfähige Partikel enthalten und/oder leitfähig gemachte Fasern und/oder leitfähig gemachte Partikel und/oder mit elektrisch leitfähigem Material beschichtete Kunststoffe, wodurch das Bauteil in die Lage versetzt wird, Radio- oder Mikrowellen, während der Entstehung und Ausbreitung von Rissen und Mikrorissen und in Gegenwart einer elektrischen Spannung zu erzeugen.
Die Sensoreinrichtung umfasst dabei zudem eine oder mehrere Antennen 15, die Radiowellen und Mikrowellen in einem Frequenzbereich von 16 kHz bis 100 GHz registrieren können und eine Auswerteeinrichtung 22 zur Beurteilung des Rissfortschrittes und des Risszustandes.
3 verdeutlicht die Emission von Mikrowellen 16 infolge der sich kontaktierenden und/oder abstoßenden Fasern bzw. Faserenden im Bereich eines Risses 14 an den vorhandenen Rissufern durch die relative Bewegung der Fasern 17 zu einander. Diese Bewegung kann durch Ultraschallwellen 21 im Bauteil 18, die beispielsweise durch eine Ultraschallquelle 13 ausgesandt werden, erzeugt werden.
Ebenso kann eine Relativbewegung der Fasern bzw. Faserenden zu einander im Bereich eines Risses 14 durch das Aufbringen einer mechanischen Belastung 19 in Form einer Vibration erzeugt werden. Die dabei entstehenden Mikrowellen 16 können von einer Sensoreinrichtung 15 empfangen werden.
4 zeigt das Ersatzschaltbild für eine Vorrichtung 23, bei der durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Radio- bzw. Mikrowellenemission in einem Bauteil 24 entstehen kann. Hierbei ist die Spannungsquelle 25 in Reihe mit einem elektrischen Widerstand 26 und dem zu beanspruchenden Bauteil 24, das für sich auch einen elektrischen Widerstand darstellt, geschaltet.
Verfahrensgemäß erfolgt mit der Vorrichtung gemäß 4 eine Versorgung der Werkstoffstruktur 24 mit einer elektrischen Spannung. Die Versorgung mit elektrischer Spannung erfolgt durch eine Spannungsquelle 25. Die Spannungsquelle 25 wird mit einem elektrischen Widerstand 26 und dem Bauteil 24 in Reihe geschaltet.
Sowohl der Betrag des elektrischen Widerstandes 26, als auch der Betrag der elektrischen Spannung richten sich nach einer Mindeststromdichte, die vorteilhafterweise zumindest im Bereich von 10^–12 A/m² liegt. Für CFK-Werkstoff sollte eine Mindeststromdichte von 3,45 × 10^–9 A/m² im Werkstoff bzw. im Bauteil 24 vorhanden sein, um ein registrierbares Mikrowellensignal induzieren zu können.
Ausführungsbeispiel:
Unter der Annahme, dass die Amplitude eines Mikrowellenimpulses proportional zum Strom, der durch eine Faser fließt, bzw. zur Stromdichte, ist, stellt die Stromdichte eine wichtige Größe dar, welche eine Aussage über die Anwendbarkeit des zuvor beschriebenen Verfahrens liefert.
Der Riss einer einzelnen stromdurchflossenen CFK-Faser führt zu einer elektromagnetischen Emission. Während der Entstehung des Risses wird der Stromfluss unterbrochen und ein Mikrowellensignal mit einer der Rissentstehung entsprechenden charakteristischen Zeit wird emittiert. In diesem Zusammenhang kann die Kohlefaser als ein Widerstand, mit einem Eigenwiderstand der Faser RF, der mit einem Schalter (Rissort) in Reihe geschaltet ist, dargestellt werden, wie in 1 zuvor beschrieben.
Die 5 zeigt die Kohlefaser als elektrische Schaltung. In 6 wird die Stromänderung in dieser Faser dargestellt. Während der Schalter geöffnet wird, also während des Faserrisses, können die Elektronen kurzzeitig von einer Rissoberfläche zur anderen Rissoberfläche „überspringen”. Es findet eine elektrische Entladung statt, die als elektromagnetischer Impuls registriert werden kann. Dieser Effekt kann auch in einem Kfz beobachtet werden, bei dem ein Zündunterbrecher einen Zündfunken erzeugt und somit den Radioempfang kurzzeitig stört [1].
In 7 wird ein kurzzeitiger elektromagnetischer Impuls als ein Dirac-Stoß dargestellt. Der Dirac-Impuls hat die Eigenschaft, dass er in einem unendlich kurzen Zeitintervall stattfindet und einen Impuls mit einem unendlich breiten Frequenzspektrum emittiert. Der während einer elektrischen Entladung entstehende elektromagnetische Impuls umfasst ein sehr breites Emissionsspektrum. So können kollidierende Teilchen elektromagnetische Impulse, infolge von elektrischen Entladungen, in einem Frequenzbereich bis 100 GHz [2] emittieren.
Die Erfassung dieses elektromagnetischen Impulses sollte deswegen in einem möglichst breiten Frequenzbereich erfolgen. Andererseits können Polarisations- oder Piezoeffekte bei einer schlagartigen Beanspruchung von CFK im niedrigen Frequenzbereich auftreten [3, 4]. Aus diesem Grund empfiehlt es sich die elektrische Entladung in einem hohen Frequenzbereich zu detektieren, um mögliche Störsignale zu vermeiden.
Für mehrere Fasern kann das Ersatzschaltbild aus 5 erweitert werden, so wie in 8 als elektrisches Modell von mehreren Faserbrüchen dargestellt.
Bei mehreren parallel geschalteten Fasern gibt es eine Abhängigkeit der Amplituden der Stromimpulse, die als Mikrowellenimpulse registriert werden, von der Anzahl der gleichzeitig reißenden Fasern. Hierbei können sich Mikrowellen mit gleichen Frequenzen überlagern und somit zu einer Verstärkung bzw. Abschwächung der Impulse beitragen.
Bei sequentiellen Faserrissen erscheinen die Mikrowellenimpulse in Abhängigkeit von den Zeiten, bei denen die einzelnen Fasern reißen.
In 9 sind die Stromstärke und Amplitude der Mikrowellenemission bei mehreren aufeinander folgenden Faserrissen dargestellt. Die Amplitude eines Mikrowellenimpulses hängt von dem Betrag ab, um den die Stromstärke während eines Faserrisses abfällt.
Anhand dieser Aussagen lässt sich die Signalauswertung erläutern. Bei der Signalauswertung sind jedoch die Besonderheiten in der HF-Messtechnik zu beachten.
Versuchsaufbau
Anforderungen an den Versuchsaufbau:
Der Versuchsaufbau ermöglicht Versuche, bei dem ein Eindringkörper reproduzierbar in den Probenwerkstoff eindringen kann. Jedoch mussten bei der Auslegung des Versuchsaufbaus eine Reihe an zusätzlichen Effekten, die unerwünschte Störsignale hervorrufen können, vermieden werden. Zum Beispiel können mechanische Schwingungen der neugeschaffenen, elektrisch geladenen Rissoberflächen, elektromagnetische Emissionen verursachen [3, 5]. Es kann vorkommen, dass die mechanische Vorrichtung die das Eindringen verursacht, aufgrund der schlagartigen Beanspruchung zusätzlich selbst vibriert und dadurch eine Vibration der Probe, an welche eine elektrische Spannung anliegt, verursacht. Dies wäre eine zusätzliche Quelle für elektromagnetische Impulse, die eine direkte Aussage über den Zusammenhang zwischen Faserrissen und den dazugehörigen erwarteten Mikrowellenimpulsen erschweren kann.
Beispielsweise kann Reibung zu kurzzeitigen elektrischen Entladungen zwischen den reibenden Körpern führen. Ein metallischer Impact-Körper und CFK würden zu solchen unerwünschten Entladungen aufgrund von Reibungseffekten zwischen dem Körpern und den Fasern führen. Deshalb wurde ein nicht elektrisch leitfähiger Körper in Form einer Glaskugel als Eindringkörper gewählt.
Probenwerkstoff:
Der Probewerkstoff ist ein kohlefaserverstärkter Kunststoff des Herstellers Tenax mit einer HTS40-Faservariante. Bei dieser Faservariante bestehen die Rovings aus ca. 12000 Fasern. Hierbei stellt die Harzmatrix 40% und die Fasern 60% des Volumeninhaltes.
Schlagvorrichtung:
Die Schlagvorrichtung 27 umfasst einen oberen Zylinder 28, der in einer oberen Linearführung 29 angeordnet ist, einen unteren Zylinder 30, der mit einer unteren Linearführung 31 zusammenwirkt und eine Kunststoffplatte 32, die auf einer Unterlegplatte 33 angeordnet ist.
Der Schlag wird durch die Bewegung des oberen Zylinders 28 erzeugt, der aus einer bestimmten Höhe auf den unteren Zylinder 30 fällt. Beide Zylinder 28 und 30 sind an den jeweiligen Linearführungen 29 und 31 befestigt, um eine hohe Reproduzierbarkeit der Versuche zu ermöglichen, da die beiden Zylinder immer an der gleichen Stelle mit einander kontaktieren. Eine Glaskugel 34 befindet sich unter dem unteren Zylinder 30 und wird auf der Kunststoffplatte 32 mit einer Bohrung in der Mitte platziert, wie in 10 dargestellt, um ein kurzzeitiges Abheben, bzw. Springen der Glaskugel 34 und eine unnötige Vibration einer CFK-Probe 35 zu vermeiden. Bei dem Aufprall des oberen Zylinders 28 auf den unteren Zylinder 30 belastet die Kugel 34 schlagartig die CFK-Probe 35 und simuliert somit die Kollision eines Steins mit einer CFK-Platte.
Eine weitere mögliche Vibrationsquelle ist die Kunststoffplatte 32, die ebenfalls bei einer schlagartigen Belastung springen kann. Aus diesem Grund ist diese auf einer massiven Metallplatte in Form der Unterlegplatte 33 angeschraubt.
Stromdurchflutung von CKF:
Durch die CFK-Probe muss ein Gleichstrom fließen, um ein registrierbares Mikrowellensignal beim Faserriss von CFK zu erzeugen. Um einen elektrischen Kontakt zwischen den Kohlefasern und der Stromquelle zu ermöglichen wurden die offenen Stirnflächen der Kohlenstofffasern, die frei von Epoxidharz sind, auf beiden Seiten der Probe mit Lackleitsilber beschichtet.
An diesen, mit Lackleitsilber bestrichenen Stellen liegt über einen Widerstand RV eine Spannung von 9 V an. Die Spannungsversorgung erfolgt über eine handelsübliche Batterie. Durch diese Schaltung wird die Möglichkeit für kurzzeitige, elektrische Durchschläge beim Bruch der Fasern, durch die Strom fließt, geschaffen. Diese kurzen elektrischen Durchschläge emittieren ein breites Spektrum von elektromagnetischen Wellen, die auch im Mikrowellenbereich detektierbar sind.
In 11 wird eine elektrische Schaltung umfassend CFK dargestellt. Die Maße der CFK-Probe betragen 1,5 × 20 × 30 mm³. Bei dieser Probe beträgt der elektrische Widerstand RCFK ca. 70 Ω. Um hohe Stromstärken und einen entsprechend hohen Energieeintrag im CFK zu vermeiden, muss der Widerstand RV entsprechend hoch gewählt werden. Aus diesem Grund werden Widerstände RV von 1 kΩ, 220 kΩ und 2 MΩ für die Testversuche verwendet.
Bei den verwendeten Proben mit einem Probenquerschnitt von 1,5 × 20 mm² ist die Stromdichte für die verschiedenen Widerstände in Tabelle 1 dargestellt, wobei der Widerstand der CFK-Probe RCFK vernachlässigt wird. Tabelle 1. Stromdichte in Abhängigkeit vom Widerstand R_V.

Widerstand R_V in Ω 1 kΩ 220 kΩ 2 MΩ

Stromdichte 300 μA/mm² 1,36 μA/mm² 0,15 μA/mm²
Messaufbau:
Der Messaufbau 36 wird in 12 dargestellt. Der Faserbruch, der während der Beanspruchung des CFK-Teils 42 auftritt, wird mittels zweier Mikrowellenantennen und einer direkten Messung der Stromimpulse am CFK, als Spannungsänderung über dem Widerstand RV, registriert.
Die Mikrowellensignale, die während des Risses von Kohlefasern entstehen, werden in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen aufgezeichnet. Eine GPS-Antenne 44 ist für Messungen im 5 GHz-Bereich geeignet und über einen Verstärker 43 mit einem Speicheroszilloskop 41 gekoppelt.
Im Bereich von 8 bis 12 GHz wird das Mikrowellensignal mit einer Hornantenne 37 empfangen. Mit Hilfe eines Mikrowellenadapters 38 der Fa. „Agilent Technologies” der Marke „X362A”, wird das Mikrowellensignal in ein elektrisches Signal umgewandelt. Von da werden die Signale über ein RF-Kabel an einen Vorverstärker 39 der Marke 83017A weitergeleitet. Mit einer Bandbreite von 0,5–26,5 GHz wird eine Verstärkung von bis zu 18 dBm ermöglicht. Die Shottky-Diode 40 der Marke „8473C” der Fa. „Agilent Technologies” am Ausgang des Vorverstärkers, richtet das Signal gleich und ermöglicht zusätzlich eine Umwandlung des Signals, wodurch es in einem Frequenzbereich von 80–125 MHz registrierbar wird. Von dieser Schnittstelle wird das Signal an das „Picoscope 6400”-Oszilloskop 41 übermittelt.
Das Picoscope 6400-Oszilloskop besitzt eine maximale Abtastrate mit 5 GS/s, womit eine erhöhte zeitliche Auflösung mit 200 ps bei einem Kanal möglich ist. Die Speicherkapazität beträgt 1 GS (10⁹ Messpunkte). Die Frequenzbandbreite liegt bei 0 bis 350 MHz. Die vertikale Auflösung beträgt 8 Bit. Eine gleichzeitige Abtastung von vier Kanälen reduziert die zeitliche Auflösung von 200 ps auf 800 ps.
Versuchsdurchführung
Kugelpositionierung:
Vor der Belastung wird die Kugel gemäß 10 so positioniert, dass sie zwischen dem CFK und dem unteren Zylinder eingeklemmt bleibt. Der obere massive Zylinder, welcher auf den unteren Zylinder während der Belastung drückt, verhindert ein „Springen” der Kugel und des CFK während der Belastung.
Hierbei ist eine Anordnung mit einer Kugel auf dem CFK mit einem Kugeldurchmesser (3,8 mm) im Vergleich zu dem Durchmesser der Öffnung in der Kunststoffunterlage (10 mm) gewählt worden.
Die Kugel befindet sich über der zylindrischen Öffnung in der Kunststoffplatte. Der Durchmesser der Öffnung ist größer als der Durchmesser der Kugel 34, so dass die Kugel in den Werkstoff eindringen kann, wie in 13 dargestellt. Die Biegung des Werkstoffes wird durch den direkten Kontakt zwischen CFK 35 und Kunststoffplatte 32 minimiert.
Aufgrund des Verhältnisses der Dicke des CFK-Plättchens (1,5 mm) zu dem Durchmesser der Kugel (3,8 mm) ist es verständlich, dass die Kugel nach der Belastung nicht komplett vom Werkstoff umschlossen wird. Somit wird der Anteil von nicht sichtbaren und somit schlecht nachvollziehbaren Schäden im Werkstoff vermieden.
In 14 wird die Position der Kugel nach dem Eindringen in den CFK-Körper dargestellt.
Einschätzung der Anzahl der Faserbrüche
Entgegen der Annahme, dass alle CFK-Proben eine konstante Bruchfestigkeit aufweisen, führten nicht alle Versuche zu der gewünschten Schädigungsform wie in 14. Fast 10% aller Versuche entsprachen diesem Schadensbild nicht und wurden nicht ausgewertet.
Bei den anderen 90%, bei denen es gelang den gewünschten Schädigungszustand zu erreichen, war es interessant zu untersuchen wie hoch die Anzahl an geschädigten Fasern während solch einer Belastung ist. Diese Untersuchungen könnten Aufschluss über die Anzahl der Fasern, die während des Impacts reißen, liefern. Das dazugehörige Modell wurde in der Arbeitshypothese beschrieben. Um die ungefähre Anzahl der gerissenen Fasern bestimmen zu können, wurde eine Abschätzung eines durchschnittlichen Faserdurchmessers anhand einer Bildanalyse einer Bruchoberfläche durchgeführt, wie in 15 dargestellt. Ein durchschnittlicher Faserdurchmesser beträgt hiernach ca. 10 μm.
Die Anzahl der gebrochenen Fasern während eines Impacts mit einer Glaskugel kann anhand des Faservolumengehaltes abgeschätzt werden.
In 16 wird ein Querschnitt des durch die Kugel verursachten Schädigungsquerschnittes dargestellt.
Die Bruchfläche AQB gemäß 16, die durch das Eindringen der Kugel in die CFK-Probe verursacht wird, wird durch den Querschnitt einer einzelnen Faser AFQ dividiert. AFQ kann überschlagsweise als Quadrat dargestellt werden. Somit wurde die maximale Anzahl der gebrochenen Fasern Nmax bestimmt. Der Querschnitt der Bruchfläche QB wird näherungsweise als Produkt des Kugeldurchmessers D und der Dicke der CFK-Platte b berechnet.
Entsprechend den Herstellerangaben beträgt das Faservolumen ca. 60% vom Gesamtvolumen, der Rest wird vom Harz ausgefüllt.
Anhand der in der Literatur [6] beschriebenen Effekte, dass die Fasern bei einem bidirektionalen CFK hauptsächlich nur in einer Richtung leitfähig sind, kann nur die Hälfte der Fasern als leitend betrachtet werden.
Aus diesen Überlegungen ergibt sich, dass die Mindestanzahl der brechenden Fasern: N_min = 0,6·0,5·N_max = 0,6·0,5·57000~17100 sein muss. Die geometrisch abgeschätzte Anzahl der gerissenen Fasern ist ein Wert zwischen Nmin und Nmax.
Versuchsauswertung
Einfluss der Messtechnik auf die Signalauswertung:
Bei einer elektrischen Entladung zwischen zwei elektrisch leitenden Werkstoffen liegt die Entladungszeit im Pikosekundenbereich [7]. Die Bandbreite des Signals kann dabei bis 100 GHz reichen. Das Signal mit solch einer kurzen Dauer kann von der verwendeten Messtechnik nur als eine Antwort auf einen Dirac-Impuls registriert werden. Somit sind die aufgezeichneten Signalverläufe hauptsächlich von der verwendeten Messtechnik abhängig. Bei der Auswertung der Messdaten, die mit Hilfe der 5 GHz-Antenne aufgezeichnet wurden, mussten die Eigenschaften des Kabels berücksichtigt werden. Bei der Übertragung dieses hochfrequenten Mikrowellensignals fungiert das Kabel wie ein LC-Schwingkreis mit einer charakteristischen Frequenz von 100 MHz. Somit wird ein Mikrowellenimpuls im 5 GHz-Frequenzbereich als ein sinusförmiges Signal (100 MHz) mit einem charakteristischen exponentiellen Abfall der Amplitude von ca. 100 ns vom Oszilloskop aufgezeichnet. Dieses Oszilloskop besitzt eine Bandbreite von 0 bis 350 MHz.
In 17 wird die Antwort auf zwei Dirac-Stöße. Registriert mit der 5 GHz-Antenne dargestellt.
Die Signale, die von der 8–12 GHz Antenne aufgezeichnet wurden, wurden anhand der Diode der Firma „Agilent Technologies”, der Marke 8473C in dem Bereich zwischen 0,01 und 26,5 GHz gleichgerichtet. Hierbei war es wichtig zu betrachten, dass es in dem Frequenzbereich von 8 bis 12 GHz keine unterschiedliche Schwächung des Signals gab. Aus den Herstellerangaben gemäß Auszug aus einem Datenblatt, dargestellt in 18 ist eine Signalverstärkung in Abhängigkeit der Frequenz ersichtlich [8], wobei eine Schwächung des Signals nur bei einer Frequenz ab 20 GHz und höher auftritt.
Bei der Auswertung der Mikrowellenimpulse im Bereich von 8–12 GHz wird deswegen nur das gleichrichtete Signal nach der Diode betrachtet. In diesem Zusammenhang ist auch zu berücksichtigen, dass die Diode als Hüllkurvendetektor dient und somit nicht das eigentliche Mikrowellensignal aufgezeichnet wird.
Anzahl der gemessenen Mikrowellenimpulse
Um die genaue Anzahl der Impulse im 8–12 GHz-Bereich abschätzen zu können, wird das Signal mit einer höheren zeitlichen Auflösung dargestellt. Dabei werden Einzelimpulse aus dem Signalverlauf ermittelt. Hierbei ist wichtig zu erwähnen, dass die Impulsanzahl aus dem Signalverlauf nur abgeschätzt werden kann, da hier nur die Impulse gezählt werden können, die auch deutlich als solche identifizierbar sind und über dem Rauschniveau liegen.
In 19 erfolgt eine Darstellung des Mikrowellensignals im Zeitbereich von 5 bis 35 ms. Die Strichlinien markieren den Zeitbereich in 20.
In 20 erfolgt die Darstellung des Mikrowellensignals im Zeitbereich von 14,34 ms bis 14,46 ms aus 19.
Insgesamt treten bei diesem Signalverlauf 28 Impulse auf. Diese Anzahl stimmt von den Größenordnungen mit den überschlagenen rund 17100 bis 57000 gerissenen Fasern in einem Verhältnis von 1 zu 1000, d. h. ein Impuls pro 1000 gerissener Fasern überein. Es muss darauf hingewiesen werden, dass Bruchprozesse stochastische Prozesse sind. Konkrete Aussagen über die Impulshäufigkeit in Bezug auf die gerechnete Faseranzahl sind deswegen nur vorsichtig zu bewerten.
In 21 wird eine Übersicht über die Verteilung der Impulszahl gegeben. Bei den meisten Versuchen schwankte die Zahl der registrierten Impulse zwischen 11 und 50. Versuche bei denen eine höhere Impulsanzahl als 60 gemessen wurde, traten nur selten auf, wie in 21 dargestellt.
Es können nur die Impulse registriert werden, deren Amplitude höher als die des Rauschniveaus ist. Je mehr Fasern gelichzeitig reißen, desto höher ist die Amplitude des emittierten Impulses. Zu erwarten ist, dass die Amplitude der Mikrowellenimpulse mit der Stromdichte im CFK zunimmt. Allgemein sind hohe Stromdichten, bzw. hohe Energieeinträge in technischen Bauteilen unerwünscht. Die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Mikrowellenmethode hängt von den Stromdichten ab.
Signalauswertung:
Bei der Signalauswertung müssen die typischen Eigenschaften der Signalbeeinflussung einer Diode berücksichtigt werden. Das ursprüngliche Mikrowellensignal im 8–12 GHz Frequenzbereich hat einen sinusförmigen Charakter, das als Antwort auf einen Dirac-Stoß entsteht. Bei diesem Signal fällt die Amplitude mit der Zeit exponentiell ab.
In Kombination mit einem externen 50 Ω Widerstand ist eine Anstiegszeit von 8–12 ns und eine Abfallzeit von ca. 200 ns typisch. Ein Mikrowellenimpuls im 8–12 GHz-Bereich wird als ein negativer Impuls mit einer Dauer von ca. 200 ns widergegeben. Impulse mit einer Trägerfrequenz im GHz-Bereich werden somit auch durch das Oszilloskop, das nur Signale mit einer Bandbreite von 0 bis 350 MHz und einer Abtastfrequenz von 5 GHz erfassen kann, registrierbar.
An dieser Stelle muss erwähnt werden, dass eine Bruchregistrierung anhand der Impulsamplitude, welche nur geringfügig höher ist als die Rauschamplitude, mit abnehmenden Stromdichten immer unsicherer wird. Dies ist ein Nachteil einer direkten Triggerung auf die Impulsamplitude. Eine andere Möglichkeit der Bruchregistrierung besteht in der Integration der Hüllkurve über der Zeit eines Impulses. Dies kann auch elektronisch in Form einer elektrischen RC-Schaltung mit T = RC = 200 ns (Impulsdauer) realisiert werden. Weil die Hüllkurve nur die negativen Amplituden eines Impulses umschließt, wird erwartet, dass durch diese Integration das Signal-Rausch-Verhältnis bei niedrigen Stromdichten deutlich verbessert wird.
22 zeigt ein Mikrowellensignal infolge eines Impacts bei einem CFK-Werkstoff
Die Untersuchungen zur Mikrowellenemission an CFK zeigen deutlich, dass es möglich ist elektromagnetische Signale im GHz-Bereich, die aufgrund von Impact-Schäden entstehen, zu detektieren. Es gibt einen direkten Zusammenhang zwischen der Stromdichte, der Anzahl der gerissenen Fasern und der Amplitude der Mikrowellenemission. Die Tatsache, dass die Widerstandsänderung im CFK mit der hochfrequenten Mikrowellenemission korreliert verdeutlicht, dass es auch einen direkten Zusammenhang zwischen den bisher bekannten Methoden [8], wie der Schallemission, der Widerstandsänderung [6] und der Mikrowellenemission gibt. Die Mikrowellenemission erweist sich jedoch als die empfindlichere Methode, da hier weit mehr Signalimpulse erfasst werden können. Der Zusammenhang zwischen Stromdichte und Impulsamplitude lässt die Aussage zu, dass mit logarithmisch zunehmender Stromdichte die Amplitude des Mikrowellensignals steigt. Ein akzeptables Signal-Rausch-Verhältnis kann schon bei vergleichsweise [6] geringen Stromdichten realisiert werden und ist somit als eine Alternative zu den bisher verwendeten Verfahren zu Registrierung von Impact-Schäden anzusehen.
Literaturangabe

1. Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3
2. Renno, N. O.; Wong, A.-S.; Atreya, S. K.: Electrical discharges and broad-band radio emission by Martian dust devils and dust storms, Geophysical Research Letters, Vol. 30, 2003, S. 2140–2143.
3. Koktavy, B.; Koktavy, P.: Experimental study of electromagnetic signals generated by crack generation in the composite material ”EXTREN”. Slovak Journal of Civil Engineering, Vol. 3, 2006, pp. 5–8.
4. Sedlak, P.; Enoki, M.; Ogasawara, T.; Sikula, J.: Electromagnetic and Acoustic Emission in PEEK/Carbon Nanotube Composites. In Proceedings of 29th European Conference on Acoustic Emission Testing 2010. NDT. net, 2010, pp. 1–6.
5. Koktavy, P.: Experimental study of electromagnetic emission signals generated by crack generation in composite materials. Meas. Sci. Technol., Vol. 20, 2009, pp. 015704–015711
6. Schueler, R.; Joshi, S. P.; Schulte, K.: Damage detection in CFRP by electrical conductivity mapping. Composties Science and Technology, Vol. 61, 2001, pp. 921–930
7. Wang, H.-C.; Walter, J.: Dynamic contact charge transfer considering plastic deformation. J. Aerosol Sci., Vol. 19, 1988, pp. 399–405.
8. Prasse, T.; Michel, F.; Mook, G.; Schulte, K.; Bauhofer, W.: A comparative investigation of electrical resistance and acoustic emission. Composties Science and Technology, Vol. 61, 2001, pp. 831–835.

Symbol	Bezeichnung	Einheit
A	Amplitude	[V]
	Mikrowellenemission
A₀	Amplitude Impuls	[V]
A_F	Amplitude des Risssignals	[V]
	von 1000 Fasern
A_FQ	Querschnitt einer Faser	[mm²]
A_QB	Bruchfläche	[mm²]
b	Dicke CFK-Platte	[mm]
c	Lichtgeschwindigkeit	[m/s]
C	Kapazität	[PF]
D	Kugeldurchmesser	[mm]
d	Spaltbreite Riss	[mm]
E	Ereignis	-
E_ges	ges. abgestrahlte	[Cm/s]
	Energie/Integrierte
	gesamte Intensität
I	Stromstärke	[A]
IA	Amplitude Integrierte	[Vs]
	Hüllkurve
IA_M	mittlerer Wert Integral	[Vs]
I_D	Intensität Dipolstrahlung	[W/m²]
J	Stromdichte	[μA/mm²]
m	Masse	[kg]
N	Anzahl gerissener Fasern	-
N_max	max. Anzahl gebr. Fasern	-
N_min	min. Anzahl gebr. Fasern	-
N_I	Anzahl Impulse	-
P(E)	Wahrscheinlichkeit	-
	Ereignis
P(t)	Dipolmoment	[Cm]
q	el. Ladung	[C]
R	el. Widerstand	[Ω]
R₀	el. Anfangswiderstand	[Ω]
R₁	el. Widerstand im Zyklus	[Ω]
R_CFK	el. Widerstand CFK	[Ω]
R_V	Vorwiderstand	[Ω]
R²	Korrelationskoeffizient	-
r_Kugel	Radius Kugel	[mm]
s	Weg	[mm]
t	Zeit	[s]
t_Br	Bruchzeit CFK	[s]
t_p	Dauer Dipolstrahlung	[ps]
t_PL	Dauer Mikroentladung	[ps]
	(leitfähiger Werkstoff)
t_PnL	Dauer Mikroentladung	[ns]
	(nicht leitfähiger Werkstoff)
t_R	Dauer Rissentstehung	[ms]
r	Gesamtzeit/Entladungszelt	[ns]
U	el. Spannung	[V]
v₀	Anfangsgeschwindigkeit	[m/s]
v₁	Endgeschwindigkeit	[m/s]

Claims

Vorrichtung (6, 12, 23) zur Ermittlung von Rissen (11, 14) und Rissentstehungsprozessen in Bauteilen (2, 10, 18, 24), vorzugweise von elektrisch leitfähigen Kunststoffbauteilen, mit – zumindest einer elektrischen Spannungsquelle (5, 20, 25), die zum Anlegen einer Spannung an einem Bauteil (2, 10, 18) geeignet ist, wobei mittels der elektrischen Spannung während der Entstehung und Ausbreitung von Rissen und/oder Mikrorissen oder bei vorhandenen Rissen Radio- und/oder Mikrowellen induziert werden, – zumindest einer Sensoreinrichtung (8, 9, 15), die die Radio- und/oder Mikrowellen (3, 7, 16), die an den Rissen entstehen, empfängt und in elektrische Signale umwandelt, wobei die Sensoreinrichtung in einem Frequenzbereich von 16 kHz bis 100 GHz arbeitet und – Mitteln zum zusätzlichen Aufbringen einer einmaligen oder zyklischen mechanischen Belastung auf das Bauteil (2, 10, 18, 24), wobei diese Mittel eine Ultraschallquelle, eine Vibrationsquelle oder Mittel zur Biege- und/oder Zugbeanspruchung sein können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mehrere Sensoreinrichtungen (8, 9, 15) in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, um so die Position des Risses (11, 14) in oder an dem Bauteil (2, 10, 18, 24) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensoreinrichtung (8, 9, 15) einen Empfänger aufweist, der eine Antenne, eine Blechplatte, ein Kabel, ein anderer elektrischer Leiter oder das zu prüfende Bauteil selbst sein kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sensoreinrichtung (8, 9, 15) weiterhin einen Mikro- und/oder Radiowellenwandler oder einen Verstärker und/oder eine Diode und/oder einen Korrelator und/oder einen Multiplikator und/oder einen Mixer und/oder einen oder mehrere Filter aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei diese zur Ermittlung von Schadenszuständen von Fahrzeugbauteilen, Raumfahrtbauteilen, Flugzeugbauteilen, Schiffsbauteilen, militärtechnischen Geräten, Fahrstühlen, Windkraftanlagen, Gebäuden und Gebäudeteilen sowie von Produkten der Medizintechnik verwendet werden kann.
Verfahren zur Ermittlung von Rissen (11, 14) und Rissentstehungsprozessen in Bauteilen (2, 10, 18, 24), vorzugweise in elektrisch leitfähigen Kunststoffbauteilen, mit folgenden Verfahrensschritten: – Anlegen einer elektrischen Spannung an das Bauteil (2, 10, 18, 24) mit zumindest einer Spannungsquelle (5, 20, 25), wodurch Radio- und/oder Mikrowellen während der Entstehung und Ausbreitung von Rissen und/oder Mikrorissen oder bei vorhandenen Rissen induziert werden, – Empfangen der Radio- und/oder Mikrowellen, die an den Rissen entstehen in einem Frequenzbereich von 16 kHz bis 100 GHz und umwandeln in elektrische Signale mittels zumindest einer Sensoreinrichtung (8, 9, 15) wobei auf das Bauteil (2, 10, 18, 24) durch Ultraschall, durch Vibration oder durch Biege- und/oder Zugbelastung zusätzlich eine mechanische Belastung aufgebracht wird.