-
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Materialprüfüng und der Betriebsfestigkeitslehre von Faserverbundwerkstoffen und Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), insbesondere von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen und betrifft die zuverlässige optische Detektion von Rissen in derartigen Materialien und Bauteilen.
-
Nachfolgend werden Faser-Kunststoff-Verbunde, faserverstärkter Kunststoff und Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe unabhängig davon, ob es sich bezogen auf den Faseranteil um ein Gelege oder Gewebe handelt, verallgemeinernd als Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) zusammengefasst. Dabei wird unter einem faserverstärkten Kunststoff, einem Faser-Kunststoff-Verbund oder einem Faserverbundkunststoff ein Werkstoff verstanden, der zur mechanischen Verstärkung dienende Fasern und eine diese zumindest abschnittsweise umgebende Kunststoffmatrix umfasst. Derartige Materialien kommen vorrangig als Leichtbaumaterialien zum Einsatz. Auf Grund der besonderen mechanischen Eigenschaften und der großtechnischen Verfügbarkeit von Kohlenstofffasern kommen Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe in Gebieten zum Einsatz, die hinsichtlich der Gewährleistung der Zuverlässigkeit besonders hohe Anforderungen zu erfüllen haben.
-
Neben der Lebensdauervorhersage an Hand von Ergebnissen aus Labor- und Modellversuchen an Prüfkörpern und Prototypen sind im Betrieb befindliche Bauteile periodischen Inspektionen zu unterziehen oder ständig zu überwachen. Aus nachvollziehbaren Gründen kommt dabei den Verfahren der zerstörungsfreien Materialprüfung eine besondere Bedeutung zu.
-
Allerdings erschwert die tiefschwarze Farbe von Kohlenstofffasern die Beobachtung der Bildung von inter- und intralaminaren Rissen bzw. den optischen Nachweis solcher Risse in Verbundmaterialien oder in Laminaten der bezeichneten Art. Gleiches trifft auf andere undurchsichtige Faserverbundwerkstoffe zu, sodass die Beobachtung von Rissen an der Oberfläche der betreffenden Bauteile oder der Nachweis einer Mikrorissbildung (crazing, Zwischenfaserbruch oder Faser-Matrix-Ablösung) nicht ohne Hilfsmittel auskommt, in-situ sogar unmöglich sein kann. Der Nachweis von inter- oder intralaminaren Zwischenfaserrissen in optisch undurchsichtigen Faserverbundmaterialien ist schwierig oder messtechnisch aufwendig.
-
Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem optisch nicht transparenten Materialverbund nach Anspruch 1, dessen Verwendung nach Anspruch 16, ein Kit zum Nachweis von Ermüdungsschäden nach Anspruch 17 und eine Vorrichtung nach Anspruch 18 vorgeschlagen. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem Materialverbund aus einer ersten Matrix und zumindest einer ersten Faserlage vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- – Aufbringen einer Indikatorschicht auf eine Oberfläche des Materialverbundes, wobei die Indikatorschicht für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich im Wesentlichen transparent ist und eine vernachlässigbare Erhöhung der Steifigkeit des Laminats hervorruft. Ausschlaggebend ist jedoch die Rissbildung bei den entsprechenden Dehnungen und damit eine zumindest gleiche oder höhere Rissempfindlichkeit, also Neigung zur Zwischenfaser- oder Matrixrissbildung oder Crazing, als die des Materialverbundes. Die Indikatorschicht wird so auf die Oberfläche des zu überwachenden Bauteils aufgebracht, dass sie fest an der Oberfläche haftet.
- – Beaufschlagen des Materialverbundes mit einer Last, insbesondere mit einer hygro-thermo-mechanischen Beanspruchung.
- – Beleuchten der Indikatorschicht mit einer Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung im gewählten Wellenlängenbereich abgibt.
- – Erfassen eines von der Indikatorschicht reflektierten und/oder gestreuten Anteils der elektromagnetischen Strahlung im gewählten Wellenlängenbereich.
-
Dabei wird eine festgestellte Änderung des Anteils der von der Indikatorschicht reflektierten und/oder gestreuten elektromagnetischen Strahlung im gewählten Wellenlängenbereich zumindest zwischen einem ersten Messzeitpunkt und einem zweiten Messzeitpunkt als ein Maß zur Beurteilung der Schädigung des Materialverbundes durch Mikrorisse und/oder Faserbrüche verwendet. Insbesondere kann die Last ausgewählt sein unter: einer für den typischen Betriebszustand auftretenden hygro-thermo-mechanischen Beanspruchung, beispielsweise einer Zugbeanspruchung, einer Stauchung, einer zyklisch wechselnden Beanspruchung, einer Wechsellast-Beanspruchung, einer Stoßbeanspruchung, einem Einschlag bzw. Impact, einer Verdrillung oder ähnlichen, für den jeweiligen Materialverbund typischen Beanspruchungen.
-
Besondere Vorteile dieser Ausführungsform bestehen in der Möglichkeit, auf das Vorliegen von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem optisch nicht transparenten Verbundmaterial zerstörungsfrei und unter realen Betriebsbedingungen schließen zu können. Ein derartiges Bauteil kann ein zu überwachendes Bauteil sein, beispielsweise ein unter Ermüdungsbeanspruchung stehendes Bauteil. Es bietet unzweifelhaft sicherheitstechnische, und wirtschaftliche Vorteile, wenn ein betreffendes Bauteil, umfassend ein optisch nicht transparentes Verbundmaterial, bzw. ein Verbundmaterial mit einer optisch nicht transparenten Oberfläche vor Ort einer zerstörungsfreien Prüfung bzw. Inspektion unterzogen werden kann. Das vorgeschlagene Verfahren bietet weiterhin die Möglichkeit, einer automatischen Überwachung betreffender Bauteile unter Betriebsbedingungen (bzw. in situ).
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem Materialverbund vorgeschlagen, wobei die Indikatorschicht eine zweite Matrix und einen Füllstoff umfasst.
-
Besondere Vorteile dieser Ausführungsform bestehen darin, dass die zweite Matrix hinsichtlich chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften und Parameter so an die Matrix des zu überwachenden Materialverbundes angepasst werden kann, dass eine gute Haftung, bevorzugt eine stoffschlüssige Verbindung der Indikatorschicht zum Bauteil herstellbar ist. Der Füllstoff bildet, ggf. gemeinsam mit der in Kontakt zu ihm stehenden zweiten Matrix unter Belastung der Indikatorschicht zuvor nicht vorhandene Grenzflächen und/oder optische Streuzentren, die mit Hilfe eines robusten optischen Aufbaus optisch nachweisbar sind.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem Materialverbund vorgeschlagen, wobei der Füllstoff einen im Wesentlichen gleichen Brechungsindex aufweist, wie die zweite Matrix.
-
Das hat den Vorteil, dass die ursprüngliche Anmutung des Bauteils nicht verändert wird. Handelt es sich bei einem zu überwachenden Bauteil beispielsweise um ein äußerlich sichtbares Konstruktionselement, den Bestandteil einer Verkleidung, eines Chassis, einer Karosserie, einer Fassade, eines Behälters, einer Stützstruktur oder einen andersartig den optischen Eindruck einer Funktionsstruktur bestimmenden oder beeinflussenden Gegenstand, so bleibt dessen Anmutung bzw. ursprünglich beabsichtigter optischer Eindruck weitestgehend unverändert. An funktionsbestimmend besonders belasteten Stellen können somit sichtbare Überwachungsschichten aufgebracht werden, ohne den möglicherweise ursprünglich beabsichtigten optischen Eindruck zu zerstören oder nachteilig zu verändern. Für den Anwender ist leicht zu ersehen, ob eine Schädigung vorliegt. Eine Zunahme der Rissdichte signalisiert somit dem Anwender die Notwendigkeit eventueller Maßnahmen zum Schutz oder Erhalt der Funktionsstruktur.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem Materialverbund vorgeschlagen, wobei die zweite Matrix so ausgewählt ist, dass die bruchmechanischen Eigenschaften identisch mit jenen der ersten Matrix sind oder sich die zweite Matrix stoffschlüssig an die erste Matrix anbinden läßt.
-
Die Vorteile dieser Ausführungsform wurden vorstehend bereits erläutert.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem Materialverbund vorgeschlagen, wobei die erste Faserlage ausgewählt ist unter einer Kohlenstofffaser, einer Graphitfaser, einer Kohlefaser, einem Kohlenstofffilament, einem Graphitfaserfilament, einem Kohlenstofffilament, einem Carbon-Roving, einem Kohleroving, einem Kohlegelege, einem Kohlegewebe, einer Kohlenstoffnanoröhre, einem Ruß, einem Graphit, einem expandierten Graphit, einem Graphen oder einem zumindest abschnittsweise eine Graphen-Struktur aufweisenden Material oder aus anderen undurchsichtigen Materialien.
-
Besondere Vorteile dieser Ausführungsform bestehen darin, dass sonstige zur zerstörungsfreien Überwachung einsetzbare Verfahren bzw. zum Nachweis von Mikrorissen, Faserbrüchen oder Überdehnungen in den bezeichneten Materialien geeignete Techniken einen ungleich höheren Aufwand erfordern und/oder kostenintensiver sind.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem Materialverbund vorgeschlagen, wobei zumindest eine typische Abmessung des Füllstoffs kleiner als ein mittlerer Faser-Durchmesser der ersten Faserlage ist.
-
Besondere Vorteile dieser Ausführungsformen bestehen darin, dass sich ein im überwachten Materialverbund auftretender Riss oder Faserbruch zum Auftreten von zumindest zwei neuen Grenzflächen bzw. neuen Streuzentren führt, da ein Material gleicher oder höherer Rissempfindlichkeit aber geringerer Strukturbreite als jener der zu überwachenden Faserlage mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit auch bricht, während es bei gleicher Strukturbreite wie der der überwachten Faserlage nicht unbedingt gleichzeitig mit jener bricht bzw. reißt. Es genügt, dass die Steifigkeitsunterschiede zwischen der zweiten Matrix und der zweiten Faser in derselben Größenordnung liegen, wie die zwischen der ersten Matrix und der ersten Faser.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem Materialverbund vorgeschlagen, wobei eine räumliche Orientierung des Füllstoffs in der zweiten Matrix im Wesentlichen gleich oder ähnlich zu einer räumlichen Orientierung zumindest der obersten ersten Faserlage im Materialverbund ist.
-
Besondere Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich daraus, dass die auf das zu überwachende Bauteil einwirkende Last, beispielsweise eine Ermüdungsbeanspruchung, genauso auf die analog in der Indikatorschicht angeordneten Füllstoffe, z. B. Fasern übertragen wird und auch dort zur Ausbildung zumindest eines Risses führt, wenn im überwachten Materialverbund ein Riss auftritt. Im Unterschied zum Riss im überwachten Bauteil ist der in der Indikatorschicht gebildete Riss optisch nachweisbar. Das sich aus dem Nachweis einer flächigen Schädigung ergebende Bild entspricht damit im Wesentlichen der realen Schädigungssituation im überwachten Materialverbund. Folglich lässt sich ein an der Indikatorschicht erhobener Befund zutreffend auf die im Bauteil aktuell vorliegende Schädigungssituation übertragen. Folglich wird die Zuverlässigkeit getroffener Aussagen und Befunde gesteigert.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem Materialverbund vorgeschlagen, wobei das Aufbringen der Indikatorschicht so erfolgt, dass eine Dicke der Indikatorschicht thermomechanische Eigenschaften des Materialverbundes nicht oder nur geringfügig verändert. Typischerweise soll eine Indikatorschicht mindestens eine Größenordnung dünner als das Substrat sein, um eine Beeinflussung der Steifigkeit der Probe auszuschließen. Bevorzugt beträgt eine Dicke der Indikatorschicht 50 bis 400 μm, wenn eine Dicke der zu bewertenden Einzelschicht des Materialverbundes 0,5 mm bis 5 mm beträgt.
-
Besondere Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich daraus, dass die ursprünglichen thermomechanischen Eigenschaften des Bauteils durch die Indikatorschicht nur geringfügig verändert werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem Materialverbund vorgeschlagen, wobei das Beleuchten durch eine fest installierte Lichtquelle erfolgt.
-
Besondere Vorteile dieser Ausführungsform können in der Möglichkeit einer langandauernden Überwachung bestehen. Damit sind verschiedene Aufnahmen der Indikatorschicht oder Messungen der von der Indikatorschicht reflektierten oder rückgestreuten Anteile elektromagnetischer Strahlung, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen werden, stets miteinander bzw. untereinander vergleichbar. Bei der Auswertung dieser Überwachungsaufnahmen, bzw. beim Vergleich der jeweils erhaltenen Signalintensitäten und/oder Signalmuster können Schadensereignisse beispielsweise mit einer bekannten, tatsächlich aufgetretenen Belastung oder konkreten äußeren Bedingungen, beispielsweise auch Versuchsbedingungen, zuverlässig korreliert werden
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem Materialverbund vorgeschlagen, wobei das Beleuchten durch direktes Einkoppeln elektromagnetischer Strahlung des gewählten Wellenlängenbereiches in die Indikatorschicht erfolgt, sodass die Indikatorschicht als Lichtwellenleiter wirkt.
-
Besondere Vorteile dieser Ausführungsform bestehen darin, dass ein Einstrahlwinkel so eingestellt werden kann, dass in einer bestimmten Orientierung in der Indikatorschicht auftretende Risse zu einem besonders intensiven Signal führen und damit leichter nachweisbar sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Montage einer entsprechenden Überwachungsvorrichtung keine zusätzlichen externen Installationen erfordert. Es genügt einen festen Beobachtungspunkt zu definieren, von dem aus beispielsweise eine Überwachungskamera ein Überwachungsbild aufnimmt.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem Materialverbund vorgeschlagen, wobei das Erfassen mit einer digitalen Aufnahmeeinheit erfolgt, die angepasst ist, ortsaufgelöst ein Signal im IR-vis-UV-Bereich aufzunehmen und in ein elektrisches Signal so umzuwandeln, dass eine der elektromagnetischen Strahlung des gewählten Wellenlängenbereiches zuordenbare Ortsinformation zumindest teilweise erhalten bleibt.
-
Besondere Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich aus den Möglichkeiten einer elektronischen Bildverarbeitung.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem Materialverbund vorgeschlagen, wobei das Verfahren weiterhin ein automatisches Auswerten von Signalen umfasst, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst wurden. Dabei kann das automatische Auswerten ein Zählen ortsaufgelöst erfasster Signale, ein Mitteln einer Intensität ortsaufgelöst erfasster Signale, oder eine andere mathematische und/oder statistische Signalverarbeitung umfassen.
-
Besondere Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich aus einer mögliche Schwankungen ausgleichenden Signalverarbeitung. Beispielsweise können tageszeitabhängige, klimatisch oder jahreszeitlich bedingte Signalschwankungen ausgeglichen werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem Materialverbund vorgeschlagen, das weiterhin ein Bereitstellen einer Kalibrierfläche vorgegebener und im Wesentlichen unveränderlicher Reflektivität und/oder Streuung umfasst. Dabei wird ein von der Kalibrierfläche reflektierter und/oder gestreuter Anteil der elektromagnetischen Strahlung im gewählten Wellenlängenbereich zur Kalibrierung und/oder zum Ausgleich einer Drift der digitalen Aufnahmeeinheit und/oder zur Kompensation verwendet.
-
Besondere Vorteile dieser Ausführungsform bestehen in einer weiteren Steigerung der Zuverlässigkeit erhobener Befunde. Es können sowohl eine technisch bedingte Basisliniendrift oder durch klimatische Einflüsse die optische Wiedergabe beeinflussende Störungen im Wesentlichen ausgeschlossen werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Verwendung eines Verfahren zum Nachweis von Mikrorissen und/oder Faserbrüchen in einem Materialverbund zum Erkennen eines Überlastereignisses, einer Werkstoffalterung, zur großflächigen Untersuchung von Impactschäden oder zur Zustandsüberwachung von Bauteilen vorgeschlagen.
-
Besondere Vorteile dieser Ausführungsform bestehen gerade darin, dass genau diese Art von Ereignissen in praxisrelevanten Situationen, beispielsweise bei der Schadensanalyse, nur schwer und zumeist nur mit erheblichem technischen Aufwand zu beurteilen sind.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Kit zum Nachweis von Ermüdungsschäden an optisch nichttransparenten Bauteilen vorgeschlagen, der einen schichtbildenden Indikator umfasst, wobei der schichtbildende Indikator stoffschlüssig mit einer Oberfläche des Bauteils verbindbar ist und eine optisch transparente Matrix bzw. eine zur Ausbildung einer solchen geeignete Vorstufe umfasst. Weiterhin umfasst das Kit einen in der Matrix, bzw. der Vorstufe der Matrix dispergierten oder dispergierbaren Füllstoff. Der Füllstoff ist beispielsweise ausgewählt unter Fasern, Faserstücken, Partikeln, insbesondere Mikropartikeln, die einen Brechungsindex aufweisen, der jenem der zweiten Matrix etwa entspricht oder gleicht und/oder unter Materialien, die eine Steifigkeit aufweisen, die jener der Fasern im zu überwachenden Materialverbund gleicht oder annähernd gleicht.
-
Besondere Vorteile dieser Ausführungsform bestehen darin, dass die durch unterschiedliche Personen oder an unterschiedlichen Orten vorgenommenen Messungen miteinander vergleichbar sind. Es werden elementare Voraussetzungen für eine Standardisierbarkeit des vorgeschlagenen Verfahrens geschaffen. Beispielsweise werden Ringversuche zur Verifizierung und Ausbildung/Training von Fachkräften erleichtert.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Vorrichtung zum Nachweis von Ermüdungsschäden an optisch nichttransparenten Bauteilen vorgeschlagen, die die folgenden Komponenten umfasst:
- – eine Beleuchtungseinheit zum Beleuchten einer mit einer Indikatorschicht versehenen Bauteiloberfläche;
- – eine Bildaufnahmeeinheit, umfassend zumindest ein Pixelarray oder einen Kamerachip;
- – eine Speichereinheit zur Speicherung von mit der Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Bildern; – eine zentrale Verarbeitungseinheit und optional eine an die Verarbeitungseinheit anschließbare Ausgabeeinheit.
-
Besondere Vorteile dieser Vorrichtung bestehen in ihrer Einfachheit, geringem Wartungsaufwand und geringen Kosten. Beispielsweise kann ein Mobiltelefon einer geeigneten Bauart oder ein vergleichbares Endgerät mit der geeigneten Software, beispielsweise in Form eines sogenannten Applets, oder im Zusammenwirken mit einem geeigneten Programm Bestandteil der vorgeschlagenen Vorrichtung sein. Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Nachweisverfahrens ergibt sich daraus, dass unter Verwendung autarker Mikroprozessoren zur Auswertung der Signale an einer jeweiligen Messposition (Indikatorschicht) mehrere Messstellen an ein und demselben Bauteil oder an einem Gebäude miteinander vernetzt werden können. Das erlaubt es, große Bauteile oder Gebäude effizient und günstig lebensdauerüberwachen zu können.
-
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können vollständig oder teilweise miteinander kombiniert werden.
-
Ein Vorteil der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ergibt sich daraus, dass Kenntnisse zum Vorliegen von Mikrorissen, Anrissen und dem zeitlichen Verlauf ihrer Entstehung unter Belastung für die Lebensdauerüberwachung und -vorhersage von Bauteilen im Bereich der Luft- und Raumfahrt, des Fahrzeugbaus und für Windenergieanlagen bedeutsam sind. Damit ergibt sich ein Bedarf an empfindlichen und zugleich kostengünstigen Lösungen sowohl für die materialwissenschaftliche Forschung als auch für die Prüfung und Überwachung bestehender Konstruktionen und Bauteile.
-
Bisher genutzte Verfahren zum Nachweis von Verbundstörungen in FKV umfassen beispielsweise Ultraschall-basierte Verfahren, die Schallemissionsmessung, die Computertomographie, die Röntgenrefraktionstopographie und die Thermographie und erfordern einen vergleichsweise hohen technischen und Kostenaufwand.
-
Vor diesem Hintergrund wird die Verwendung einer Indikatorschicht vorgeschlagen, die einen geeigneten rissempfindlichen (bruchmechanisch zum Substrat ähnlich oder empfindlicher und/oder zu Mikrorissbildung (engl. – crazing) neigenden) Matrixwerkstoff umfasst, wobei die Matrix der Indikatorschicht identisch mit der Matrix des Substrates oder speziell an jene angepasst und ggf. mit geeigneten weitgehend durchsichtigen Fasern oder andersgearteten weitgehend durchsichtigen Füllstoffen gefüllt ist. Die teilweise Füllung der Matrix der Indikatorschicht – also des hier als zweite Matrix bezeichneten Materials oder dessen Vorstufe – ist besonders dann von Vorteil, wenn damit bessere Ergebnisse und/oder eine höhere Empfindlichkeit erzielt wird.
-
Eine Vorstufe der zweiten Matrix kann beispielsweise ein Monomer sein. Ebenso kann die Vorstufe ein Monomer und eine als Härter oder als Polymerisationsinitiator wirkende zweite Komponente, beispielsweise ein Vernetzer oder ein Katalysator sein.
-
Je nach Zielstellung zeichnet sich der jeweils gewählte Füllstoff durch seine Strukturgröße (z. B. Durchmesser, Länge, Aspektverhältnis, Polydisperistätsindex) oder durch seine Steifigkeit aus. Seine Anordnung in der Indikatorschicht kann einer Vorzugsanordnung der Fasern und/oder anderer Elemente in der zu charakterisierenden Substratschicht entsprechen oder im Wesentlichen gleichen. Das bietet den Vorteil, dass eine geometrische Struktur der Risse zutreffend abgebildet wird. Gemäß den genannten Ausführungsformen weist ein Füllmaterial oder zumindest ein Bestandteil des Füllmaterials einen gleichen oder nahezu identischen Brechungsindex auf, wie die Matrix der Indikator-/Sensorschicht (d. h. die zweite Matrix), um eine hinreichende Transparenz der Indikatorschicht zu erzielen. Die Indikatorschichten sind ebenso hinreichend transparent, wenn die Größe der Partikeln des Füllmaterials unterhalb der Wellenlänge des zur Überwachung eingestrahlten Lichts liegt. Mittels Beleuchtung dieser Schicht durch fest oder beweglich installierte Lichtquellen kann die Rückstrahlung der Schicht beispielsweise mit einer Fotokamera – wahlweise fest installiert oder mobil – beobachtet werden. Bei ungeschädigtem Werkstoff bzw. Verbundmaterial ist die Schicht annähernd durchsichtig, strahlt also wegen des tiefschwarzen Hintergrundes wenig zurück. Jedoch führen Störstellen oder Risse in der Indikatorschicht zu einer Erhöhung der Rückstrahlung durch Streuung und Lichtbrechung an den mit dem Riss entstandenen Grenzflächen. Eine Änderung der Intensität des von der jeweiligen Indikatorschicht rückgestrahlten Lichts gibt – entweder lokal erfasst oder über die gesamte Messfläche gemittelt – Auskunft über das Vorhandensein bzw. den zeitlichen Verlauf des Auftretens oberflächennaher Risse und Schäden.
-
Gemäß einer besonderen Ausführungsform erfolgt eine Langzeit-Überwachung eines Bauteils automatisch an Hand des Vergleichs der von der Messfläche erfassten Rückstrahlung einer gegebenen Beleuchtungsquelle mit jener von einer Referenzfläche. Ein besonderer Vorteil der Bereitstellung von Referenzflächen besteht in der Möglichkeit der Kalibrierung über den Ausgleich einer möglichen Langzeitdrift. Ursachen einer Drift können sowohl elektronisch, als auch umgebungsbedingt bedingt sein. So kann eine über die Nutzungsdauer der Lichtquelle ab- oder zunehmende Strahlungsintensität, die Verschiebung eines Wellenlängenbereiches, eine Empfindlichkeitsschwankung eines Pixelarrays, aber auch eine (mikro-)klimatische Veränderung zu einer abweichenden Intensität des von der Messfläche erfassten Signals führen. Mit Hilfe einer Referenz- oder Kalibrierfläche mit bekannter Rückstreurate die in unmittelbarer Nähe zur überwachten Oberfläche angeordnet ist, lassen sich diese Schwankungen ausgleichen. In 1 ist beispielhaft eine entsprechende Messanordnung dargestellt.
-
Ebenso können robuste statistische Verfahren zur Analyse von Einzelaufnahmen der jeweils überwachten Oberfläche angewendet werden. Die dafür analysierten Aufnahmen können beispielsweise in Form einer Sequenz von Messbildern oder in Form eines Messfilms bereitgestellt werden. Alternativ können auch Zählverfahren an Einzelaufnahmen oder an Bildausschnitten von Einzelaufnahmen vorgenommen werden. Selbstredend ist die Anwendung der entsprechenden Bildanalyseverfahren nicht auf reale zweidimensionale Fotografien angewiesen. Sie kann ebenso auch unmittelbar elektronisch an Digitalaufnahmen oder Sequenzen erfolgen. Dabei werden die den zweidimensionalen Abbildungen der Oberfläche entsprechenden Rohdaten oder die zur Bilddarstellungen verwendeten digitalen Formate der Rohdaten genutzt.
-
Nachfolgend ist ein praktisches Beispiel eines konkreten Messaufbaus gemäß der beigefügten 1 beschrieben.
-
Auf ein CFK-Laminat (Kohlenstofffasern mit einer Epoxidharzmatrix) wird auf der zu überwachenden Seite blasenfrei eine 100 μm dünne Schicht GFK-Laminat aus feinem E-Glasfasergewebe (Glasfasern – wirr angeordnet, oder auch als Gewebe) und Epoxidharz aufgebracht. Alternativ liefern auch andere Polymermatrix-Materialien mit einem ähnlichen Brechungsindex eine hinreichend durchsichtige Schicht, wenn sie porenfrei aufgebracht werden. An den Kreuzungsstellen der Fasern im Gewebe oder der Wirrglasmatte werden später entstehende Risse ”umgelenkt” und verzweigt. Die unter Überlast auftretenden zahlreichen Bruchflächen führen zu einer einfach messbaren und deutlich erkennbaren Rückstrahlung. Durch die Dehnungsüberhöhung an den vielen Faser-Matrix-Grenzflächen tritt mit dem Crazing ein weiterer nützlicher Effekt auf. In diesem Zusammenhang wird unter Crazing die deutlich unterhalb der Glasübergangstemperatur auftretende Mikrorissbildung auf Molekülebene im betreffenden Polymer verstanden. Aber auch einzelne Risse sind in der Indikatorschicht durch Lichtreflexion gut zu erkennen und optisch messbar. Die erhaltene Schicht wird mit diffusem Weißlicht beleuchtet und mit einer Kamera (Makroobjektiv) überwacht. Der Kameraabstand betrug passend zum Makroobjektiv der Kamera etwa 200 mm.
-
Insbesondere zeigt die 1 den Messaufbau 6 mit einer Bilderfassungseinheit, bevorzugt einer Digitalkamera oder Videokamera, die auf eine Indikatorschicht 2 auf einem zu überwachenden Bauteil 1 gerichtet ist. Die Indikatorschicht 2 wird von einer Lichtquelle 4, bevorzugt einer Weißlichtquelle, beleuchtet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist in unmittelbarer Nachbarschaft zur Indikatorschicht eine Referenzfläche 3 angeordnet, die ebenso von der Lichtquelle 4 beleuchtet und von der Bilderfassungseinheit 5 überwacht wird. Unter einer beispielsweise durch zyklische Zugbelastung simulierten Betriebsbeanspruchung wird die Bildung von Rissen 7 in dem überwachten Verbundmaterial 1 provoziert. Die Risse im Verbundmaterial, typischerweise einem lichtundurchlässigen und somit undurchsichtigem Kohlenstofffaserverstärktem Laminat, pflanzen sich in die Indikatorschicht fort und sind dort unmittelbar mit ihrem Auftreten auf Grund der veränderten Licht-Reflexion und/oder -Streuung sichtbar. Die Referenzfläche besteht idealerweise entweder aus einem in der Rückstrahlung zur ungeschädigten Messfläche ähnlichen Material, das seine optischen Eigenschaften über die gesamte Messzeit trotz Belastung nicht ändert oder einem zur Messfläche insgesamt möglichst ähnlichem Material, dass nicht mitbelastet wird. Konkret kann das ein Stück CFK sein, das im Kamerabildausschnitt positioniert und unbelastet ist.
-
An Hand eines Bildvergleichs vor und nach der Rissbildung bzw. vor und nach Faserbrüchen kann der Versagenszeitpunkt bzw. das Auftreten von Überlastereignissen erkannt und/oder dokumentieret werden. Werden die von der Bildaufnahmeeinheit erfassten Einzelbilder automatisch ausgewertet, so kann die Zustandsüberwachung automatisch erfolgen. Die Funktion der automatischen Bildauswertung kann beispielsweise von einer Kontrolleinheit (in der Figur nicht gezeigt) ausgeführt werden. Das Überschreiten eines festlegbaren Schwellwertes einer Änderung der optischen Eigenschaften der Indikatorschicht, beispielsweise einer Reflektivität oder einer Helligkeit des von der Indikatorschicht auf die Bilderfassungseinheit fallenden Lichts, im Vergleich zu dem von einer Referenzfläche erhaltenen Messsignal kann zur automatischen Anzeige eines Schädigungsereignisses oder eines kritischen Betriebszustandes dienen.
-
Die Steifigkeiten der für die Indikatorschicht verwendeten Werkstoffe sind – außer in Hinblick auf störende Rückwirkungen der Indikatorschicht – unerheblich. Entscheidend ist, dass die Rissbildung in der Indikatorschicht bei ähnlichen Dehnungen auftritt wie im Substrat.
-
Weitere transparente Polymere, wie beispielsweise Polyethylen, Polystyrol, Polymethylmethacrylat und Polycarbonat zeigen unter Zugbelastung teilweise auch ohne Füllstoffe eine Mikrorissbildung. Somit können auch ungefüllte Schichten dieser Polymere als Indikatorschichten verwendet werden. Ebenso können aber auch mit Indikatorpartikeln versehene Schichten aus diesen Polymeren als Indikatorschichten im Sinne der hier beschriebenen Verwendung genutzt werden.
-
Neben der bereits erwähnten Überwachung komplexer Strukturen, Großbauteile, Gebäude oder Konstruktionen mittels vernetzter Mess-Stellen können durch den Einsatz von digitaler Bildkorrelationstechnik Einzelrisse und Rissmuster beobachtet und erforderlichenfalls auch automatisiert bewertet werden. Einsatzmöglichkeiten des beschriebenen Verfahrens bestehen insbesondere für das Structural-Health-Monitoring (kontinuierliche oder periodische Lebensdauerüberwachung) bzw. für die dauerhafte oder in Intervallen durchgeführte Überwachung der Stand- und Betriebssicherheit von Großbauteilen.
-
Verfahrenstypisch ist der indirekte Nachweis von im Prüfling entstehenden Mikro-, Meso- und Makrorissen über die Sichtbarmachung einer Rissentwicklung in einer an der Oberfläche des Prüflings aufgebrachten und mit dem Substrat stoffschlüssig verbundenen transparenten oder gering opaken Indikatorschicht (wenn originale Risse aus der obersten Schicht des Substrates in der Schicht abgebildet werden) oder einer Stellvertreterschicht (wenn die Risse nicht in der obersten Substratschicht, sondern in einer tieferen, nicht sichtbaren Schicht auftreten. Aufgrund angepasster Eigenschaften der Stellvertreterschicht treten in der Stellvertreterschicht für das gesamte Laminat repräsentative Rissphänomene auf). Beispielsweise kann mittels einer IR-VIS-UV-Kamera die Änderung einer Rückstrahlung eingestrahlten Lichtes zu verschiedenen Zeitpunkten erfasst und verglichen werden.
-
Insgesamt ergeben sich bei Anwendung des beschriebenen Verfahrens, aus der Verwendung des beschriebenen Kits oder aus der Verwendung der beschriebenen Vorrichtung Vorteile für eine einfache und kostengünstige Überwachung von undurchsichtigen Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), beispielsweise Kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Die Rissentwicklung in optisch intransparenten Materialien kann so sichtbar gemacht werden, wie das sonst nur bei annähernd transparenten FKV möglich ist. Beispielsweise sind für Glasfaser-Kunststoff-Verbunde (GFK) entsprechende Belastungsereignisse als ”Weißbruch” nachweisbar. Vorteilhafterweise können Überlastereignisse erkannt und gerichtsfest nachgewiesen werden. Ebenso kann eine Werkstoffalterung, eine Materialermüdung oder ein Impactschaden nachgewiesen werden.
-
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.
-
Referenzliste
-
- Trappe, V.; Harbich, K.-W.: Damage state of CFRP characterized non-destructively by x-ray-refraction and ultrasound. In: 48th International SAMPE Symposium Bd. 48/1 (2003), S. 1228–1239
- Trappe, V.; Harbich, K.-W.: Intralaminar fatigue behaviour of carbon fibre reinforced plastics. In: International Journal of Fatigue Bd. 28 (2006), Nr. 10, S. 1187–1196
- Dillenz, A.; Gerhard, H.; Krohn, N.; Pfleiderer, K.; Stößel, R.; Zweschper, T.; Busse, G.: Hauptvortrag. Zerstörungsfreie Prüfung nichtmetallischer Werkstoffe. Neue Entwicklungen Main lecture. Nondestructive testing of nonmetallic materials. Recent developments, DGZfP-Berichtsband, Teil 75, 2001.
- Pohl, J.; Mook, G.; Michel, F.; Herold, S.: Health monitoring adaptiver CFK-Strukturen Health monitoring of adaptive carbon fiber reinforced plastic structures, DGZfP-Berichtsband, Teil 75, 2001
