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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer mechanischen Verformung und bzw. oder eines Defekts eines Probekörpers.
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Mechanische Verformungen werden oftmals über Dehnungsmessstreifen ermittelt. Diese Dehnungsmessstreifen werden hierzu von außen auf ein Bauteil aufgeklebt und eine Dehnung eines zu untersuchenden Bauteils über die Klebstelle auf den Dehnungsmessstreifen übertragen sowie im nachgeschalteten Messsystem in einen elektrisch auswertbaren Wert gewandelt, beispielsweise durch Messen einer Widerstandsänderung aufgrund einer Querschnittsänderung und bzw. oder des piezoresistiven Effekts. Allerdings ist eine Langzeitüberwachung eines Bauteilzustands während einer Nutzung von Dehnungsmessstreifen nur bedingt möglich, da eine Alterung der Verklebung und ein Kriechen des Sensors selbst die Langzeitzuverlässigkeit deutlich reduzieren. Ein weiterer Nachteil ist in einer lediglich indirekt erfolgenden Messung zu sehen: Der Messwert eines Dehnungsmessstreifens ist stets ein aus mehreren Effekten, wie der Dehnung des Werkstücks, der Dehnung der Klebung und der Dehnung des Sensors, überlagerter Effekt.
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Insbesondere bei Kompositwerkstoffen wirken sich mechanische Belastungen wie Knicken, Stauchen oder Schläge sowie Alterungserscheinungen nachhaltig schädlich aus. Zur Absicherung der Tragfähigkeit derartiger Werkstoffe muss daher mit erheblichen Sicherheitsaufschlägen bei der Dimensionierung gearbeitet werden oder eine aufwändige Sensortechnik zur Strukturüberwachung, z. B. mittels Dehnungsmessstreifen, installiert werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zum Bestimmen mechanischer Verformungen oder Defekte in Probekörpern vorzuschlagen, das die genannten Nachteile vermeidet, mit denen also Probekörper langzeitstabil hinsichtlich ihrer mechanischer Eigenschaften überwacht werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein System nach Anspruch 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Bei einem Verfahren zum Bestimmen einer mechanischen Verformung und bzw. oder eines Defekts eines Probekörpers, auf dem oder in dem mindestens eine elektrisch leitfähige Faser angeordnet ist, wird ein elektromagnetisches Wechselfeld durch ein Messgerät mit einer ersten elektrischen Spule ausgebildet. Der Probekörper wird zumindest teilweise in das generierte elektromagnetische Wechselfeld eingebracht, d. h. zumindest ein Teil des Probekörpers wird in das generierte elektromagnetische Wechselfeld eingebracht. Hierbei wird in der mindestens einen elektrischen Faser mindestens ein elektrischer Wirbelstrom bzw. ein Verschiebungsstrom induziert. Dieser elektrische Wirbelstrom bzw. Verschiebungsstrom bedingt eine Änderung einer komplexen Spulenimpedanz der ersten elektrischen Spule, wobei aus der Spulenimpedanz auf eine mechanische Verformung und bzw. oder einen Defekt geschlossen wird.
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Da elektrisch leitfähige Fasern ihre elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit einer mechanischen Spannung oder Dehnung nach dem gleichen Prinzip wie Dehnungsmessstreifen ändern, können in den Probekörper eingebrachte oder auf dem Probekörper angeordnete elektrisch leitfähige Fasern als integrierte Dehnungsmesstreifen benutzt werden. Die elektrisch leitfähige Faser selbst wird bei dem beschriebenen Verfahren direkt als Dehnungsmessstreifen genutzt und Sekundäreffekte können ausgeschlossen werden, da keine mechanische Verbindung zwischen Sensor und Bauteil bzw. Probekörper benötigt wird. Aus dem klassisch gewonnenen Wirbelstromsignal auf mechanische Beeinträchtigungen des Probekörpers zurückzuschließen erlaubt eine zuverlässige und schnelle Bestimmung mechanischer Veränderungen des Probekörpers. Unter einer Faser soll hierbei ein im Verhältnis zu einer Länge der Faser dünnes und flexibles Gebilde verstanden werden, bei dem die Länge typischerweise mindestens ein Dreifaches des Durchmessers beträgt und nur eine geringe Knicksteifigkeit aufweist. Durch eine derartige in situ-Messung von mechanischen Spannungen wird ein direktes Belastungsmonitoring zur Sicherstellung einer Bauteilzuverlässigkeit, einer schnellen Detektion von Bauteilversagen (Delamination) und einer Überwachung von Herstellung und Montageprozess ermöglicht. Hierdurch kann die Konstruktion von Bauteilen deutlich besser an die reale Lastsituation angepasst werden, d. h. durch die Kenntnis, welche Teile des Bauteils welche Lasten tragen, kann ein optimales Bauteildesign mit Reduzierung von Redundanzen erreicht werden.
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Es kann daher auch bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass beim zumindest teilweisen Einbringen des Probekörpers in das elektromagnetische Feld ein Abstand zwischen dem Messgerät und dem Probekörper eingehalten wird und somit eine berührungslose Messung möglich ist. Typischerweise wird der Probekörper vollständig in das elektromagnetische Feld eingebracht. Typischerweise beträgt der Abstand zwischen dem Messgerät und dem Probekörper während der Wirbelstrommessung 200 μm.
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Vorzugsweise sind mindestens zwei elektrisch leitfähige Fasern auf dem oder in dem Probekörper angeordnet und aus einem infolge des elektromagnetischen Wechselfelds in den elektrisch leitfähigen Fasern zusätzlich zu dem elektrischen Wirbelstrom erzeugten kapazitativen Effekts die Änderung der komplexen Spulenimpedanz bestimmt. Wie gehabt wird dann aus der komplexen Spulenimpedanz auf die mechanische Verformung und bzw. oder den Defekt geschlossen. Der kapazitative Effekt resultiert aus einer belastungsabhängigen Faserabstandsänderung, die die kapazitative Kopplung der elektrisch leitfähigen Fasern beeinflusst und tritt typischerweise bei hohen Frequenzen im MHz- oder GHz-Bereich auf. Vorzugsweise ist eine einzelne verwendete elektrisch leitfähige Faser zwischen 7 μm und 15 μm dick, es können aber auch Faserbündel aus mehreren, typischerweise knapp 50000 elektrisch leitfähigen Fasern verwendet werden.
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Typischerweise wird zumindest eine Änderung des Realteils, des Imaginärteils und bzw. oder der Phasenlage der komplexen Spulenimpedanz ermittelt und zum Bestimmen der mechanischen Verformung und bzw. oder des Defekts verwendet. Durch die beschriebenen Eigenschaften der komplexen Spulenimpedanz ist eine hinreichend genaue Ermittlung der mechanischen Verformung bzw. des Defekts möglich.
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Ein System zum Bestimmen einer mechanischen Verformung und bzw. oder eines Defekts weist einen Probekörper und ein Messgerät auf. Auf dem Probekörper oder in dem Probekörper ist mindestens eine elektrisch leitfähige Faser angeordnet. Das Messgerät weist eine erste elektrische Spule auf, die eingerichtet ist, ein elektromagnetisches Wechselfeld zu generieren und eine Änderung einer komplexen Spulenimpedanz der ersten elektrischen Spule, die durch einen in der mindestens einen elektrisch leitfähigen Faser durch das elektromagnetische Wechselfeld hervorgerufenen Wirbelstrom bedingt ist, zu detektieren. Das Messgerät ist außerdem dazu eingerichtet, aus der komplexen Spulenimpedanz eine mechanische Verformung und bzw. oder einen Defekt des Probekörpers zu bestimmen.
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Der Probekörper ist vorzugsweise ein Faserkompositwerkstoff mit einer elektrisch leitenden, elektrisch halbleitenden oder nichtleitenden Matrix, in den die mindestens eine elektrisch leitfähige Faser eingebettet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine elektrisch leitfähige Faser auch an dem Faserkompositwerkstoff befestigt sein.
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Der Faserkompositwerkstoff, der auch als Faserverbundwerkstoff bezeichnet werden kann, ist typischerweise ein Kunststoff oder ein textiles Material. Der Kunststoff dient vorzugsweise als Matrix, in die die elektrisch leitfähigen Fasern eingebettet sind.
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Die mindestens eine leitfähige Faser kann zumindest teilweise eine Kohlenstofffaser sein. Vorzugsweise ist die mindestens eine elektrische Faser vollständig aus Kohlenstoff. Kohlenstofffasern weisen eine belastungsabhängige elektrische Leitfähigkeit auf und sind daher zur Ausnutzung eines piezoresistiven Effekts geeignet, wie er auch bei konventionellen Dehnungsmessstreifen verwendet wird.
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Das Messgerät weist die erste elektrische Spule auf, die das elektromagnetische Wechselfeld erzeugt und auch als Anregungsspule bezeichnet wird. Es kann vorgesehen sein, dass außerdem eine zweite elektrische Spule in dem Messgerät vorgesehen ist und die zweite elektrische Spule eingerichtet ist, statt der ersten elektrischen Spule oder zusätzlich zu der ersten elektrischen Spule ein infolge des elektrischen Wirbelstroms bzw. des Verschiebungsstroms generiertes elektromagnetisches Feld zu detektieren. Die zweite elektrische Spule wird in diesem Fall auch als Messspule bezeichnet. Das Messgerät ist dazu ausgebildet, aus der komplexen Spulenimpedanz der zweiten elektrischen Spule die mechanische Verformung und bzw. oder den Defekt des Probekörpers zu bestimmen. Durch einen einfachen Aufbau können somit wesentliche elektrische und dielektrische Eigenschaften des Probekörpers bestimmt werden.
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Die erste elektrische Spule und die zweite elektrische Spule können in dem Messgerät in einer Ebene nebeneinander liegend, übereinander liegend, vorzugsweise fluchtend übereinander liegend, ineinander gewickelt oder mit einem Abstand einander gegenüberliegend, typischerweise fluchtend einander gegenüberliegend, angeordnet und mit oder ohne einen Ferritkern ausgebildet sein, um verschiedene Geometrien bei der Vermessung des Probekörpers zu ermöglichen. Insbesondere können die Spulen auch ineinanderliegend lateral kombiniert werden.
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Ein Substrat, auf dem die erste Spule (und, sofern vorgesehen, die zweite Spule) angeordnet ist, kann aus einem bei Raumtemperatur dehnbaren und biegbaren, also flexiblen Werkstoff sein, um sich einfach einer Geometrie des Probekörpers anpassen zu können. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Array mehrerer Spulen zum Messen verwendet werden.
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Bei der Verwendung des Messgeräts als Wirbelstromsonde sind die erste Spule und, sofern vorhanden, die zweite Spule an eine Spannungsquelle angeschlossen. Vorzugsweise ist das Messgerät mit einer Ausgabeeinheit zur Darstellung der mechanischen Verformungen oder Defekte versehen. Typischerweise wird hierfür ein Display verwendet. Besonders vorzugsweise weist das Messgerät eine Speichereinheit auf, in der die ermittelten Werte abgespeichert werden können und typischerweise durch eine Übertragungsvorrichtung auf andere Geräte übertragen werden können.
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Das beschriebene System ist zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet bzw. das beschriebene Verfahren kann mit dem beschriebenen System durchgeführt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 4 erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Messgeräts und eines Probekörpers;
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2 eine Wirbelstromaufnahme einer Zugprobe in Draufsicht;
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3 eine Veränderung einer Phasenlage eines Wirbelstromsignals während einer mechanischen Belastung; und
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4a) bis g) mehrere mögliche Anordnungen von elektrischen Spulen in Bezug auf den Probekörper.
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1 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht ein Messgerät 1 mit einer darin angeordneten elektrischen Spule 2 sowie 200 μm von dem Messgerät 1 beabstandet einen Probekörper 3 mit darin angeordneten Kohlenstofffasern 4. Die elektrische Spule 2 erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld und ist dazu an eine ebenfalls in dem Messgerät 1 angeordnete Spannungsquelle 5 angeschlossen.
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Das erzeugte elektromagnetische Wechselfeld wirkt auf den Probekörper 3, einen Stab aus einem Kunststoff, ein. Die in dem Kunststoff des Probekörpers 3 eingebetteten Kohlenstofffasern 4, die in weiteren Ausführungsbeispielen auch aus anderen elektrisch leitfähigen Fasern bestehen können, reagieren auf das eingestrahlte elektromagnetische Wechselfeld. Kohlenstofffasern weisen eine elektrische Leitfähigkeit auf, allerdings verringert sich eine Summenleitfähigkeit der Kohlenstofffasern 4 je nach Materialkonfiguration auf bis zu 1/1000 einer Leitfähigkeit von Aluminium. Eine mittlere Leitfähigkeit ergibt sich aus einer Häufigkeit und der Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern 4 in einem Probenvolumen, aus Übergangswiderständen benachbarter Fasern und einer kapazitativen Kopplung der Kohlenstofffasern 4 über den eingebrachten Kunststoff. Durch das von dem Messgerät 1 generierte elektromagnetische Wechselfeld, in das zumindest ein Teil des Probekörpers 3 und somit auch ein Teil der Kohlenstofffasern 4 eingebracht wird, wird in den Kohlenststofffasern 4 eine elektrische Spannung induziert, die zu einem Stromfluss innerhalb einer der Fasern 4, einem elektrischen Wirbelstrom, und zu Ringströmen in einem Fasernetzwerk, d. h. verbundenen benachbarten Fasern, führt. Zusätzlich treten kapazitative Effekte, hervorgerufen durch das die Fasern 4 umgebende dielektrische Material bedingt durch einen entstehenden elektrischen Verschiebungsfluss, auf. Die verwendeten Kohlenstofffasern 4 haben hierbei einen Durchmesser von 7 μm bis 15 μm.
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Der im Probekörper 3 durch das elektromagnetische Wechselfeld angeregte Stromfluss weist ein Magnetfeld auf, das dem anregenden elektromagnetischen Wechselfeld nach der Lenzschen Regel entgegenwirkt und zur Bauteilprüfung von außen mittels Wirbelstromverfahren genutzt werden kann.
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Durch das entgegenwirkende elektromagnetische Feld wird eine komplexe Spulenimpedanz der elektrischen Spule 2 beeinflusst. Die komplexe Spulenimpedanz Z = R + jX setzt sich hierbei aus dem reellen ohmschen Wirkwiderstand R und den Blindanteilen X zusammen. Die Blindanteile sind primär induktiv, können bei hohen Frequenzen aber auch kapazitativ sein. Aus einer Änderung der komplexen Spulenimpedanz kann dabei auf eine mechanische Verformung bzw. einen Defekt im Probekörper 3 an der von dem Messgerät 1 untersuchten Stelle geschlossen werden. Dazu ist das Messgerät 1 über ein Kabel 6 mit einer elektronischen Auswerteeinheit 7 verbunden, die bei einem Abrastern des Probekörpers 3 die erhaltenen Werte der Spulenimpedanz auswertet und farbkodiert auf einem Display 9 als Ausgabeeinheit darstellt und ausgibt. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Messgerät 1 auch kabellos mit der elektronischen Auswerteeinheit 7 zum Datenaustausch in Verbindung stehen. In diesem Fall erfolgt die Energieversorgung entweder mittels einer Batterie oder direkt durch die angeschlossene Auswerteeinheit 7 mittels RFID(Radio-Frequency Identification)-Transpondertechnik. Bei einem in den Probekörper 1 integrierten Messsystem wird ein Teil der Auswerteelektronik in den Probekörper 1 als Messsystem miniaturisiert integriert, wodurch die Änderungen des Realteils und des Imaginärteils sowie die Phasenänderung anschließend digital ebenfalls mittels RFID-Transpondertechnik ausgelesen werden können. Außerdem ist eine Speichereinheit in dem Messgerät 1 vorgesehen, die die erfassten Messwerte und die ausgewerteten Werte speichert und über eine Datenübertragungseinheit auch an weitere elektronische Datenverarbeitungsanlagen übermitteln kann.
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Die komplexe Spulenimpedanz kann hierbei nach Realteil, Imaginärteil und bzw. oder Phasenlage ausgewertet werden, wobei vorzugsweise die Phasenlage zum Bestimmen von mechanischen Verformungen herangezogen wird.
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In weiteren Ausführungsbeispielen kann auch lediglich eine einzelne Kohlenstofffaser 4 verwendet werden, typischerweise werden jedoch mehrere derartiger Fasern 4 in Form eines Faserbündels benutzt. Ebenso kann die Kohlenstofffaser bzw. Kohlenstofffasern 4 alternativ oder zusätzlich auch auf einer Außenseite des Probekörpers 3 aufgebracht werden, beispielsweise durch eine Klebeverbindung.
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In weiteren Ausführungsbeispielen kann statt des Kunststoffs der Probekörper 3 auch aus einem textilen Material bestehen, in das oder auf das die Kohlenstofffasern 4 eingebracht sind. Der beschriebene kapazitative Effekt wird in diesem Fall über Luft bewirkt.
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Da die Kohlenstofffasern 4 ihre elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit einer mechanischen Spannung oder Dehnung nach einem ähnlichen Prinzip wie ein Dehnungsmessstreifen ändern, können Kohlenstofffasern 4 direkt als Dehnungsmessstreifen genutzt werden.
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2 zeigt in Draufsicht einen weiteren Probekörper 3 aus einem Kunststoff mit darin eingebetteten Kohlenstofffasern 4, an dem in Richtung der Pfeile mit einer Kraft F gezogen wird. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Probenmaterial ist hochfestes Kohlenstofffaserprepreg, also vorimprägnierte Fasern, mit einem Faservolumengehalt zwischen 52 Prozent und 55 Prozent, in einem als Matrix dienenden Epoxidharz. Eine Dicke des Probekörpers 3 beträgt 0,23 mm. Die gesamte Länge beträgt 113 mm und eine maximale Breite 19,5 mm. Eine minimale Breite beträgt 10 mm am Steg und beide Endflächen, die durch den Steg miteinander verbunden sind, weisen eine Länge von 26 mm und einen Übergangsbereich zum Steg mit einer Länge von 10 mm auf.
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Durch die ausgeübte Zugspannung wird der Probekörper 3 mechanische deformiert. Einem Mittelteil des Probekörpers 3 ist in 2 eine farbkodierte Darstellung eines Imaginärteils der komplexen Spulenimpedanz der elektrischen Spule 2 überlagert. Je dunkler ein Farbwert eines Bildpunkts, desto höher ist die ausgebübte mechanische Spannung in diesem Punkt. Die farbkodierte Darstellung wird erhalten durch ein Abscannen des Probekörpers 3 über Linearachsen mit daran befestigtem Messgerät 1 oder einen Roboterarm, an dessen Ende das Messgerät 1 angebracht ist. Ziel des Abscannens bzw. Abrastern ist eine Visualisierung von Lasttrajektorien. Statt eines einzelnen Messgeräts 1 mit der elektrischen Spule 2 können auch mehrere Messgeräte 1 als Einzelsensoren oder ein einzelnes Messgerät 1 mit einem Sensorarray verwendet werden. Das Messgerät 1 kann dabei starr-planar, starr-konturangepasst oder flexibel über den Probekörper 3 geführt werden.
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In 3 ist ein Diagramm gezeigt, bei dem die Phasenlage des Wirbelstromsignals, die durch eine Änderung der komplexen Spulenimpedanz registriert wurde, über einem mechanischen Lastfall in Punkt P1 in 2 aufgetragen wurde. Es ist eine gute Korrelation zwischen der mechanischen Belastung und der Phasenlage des Wirbelstromsignals zu erkennen.
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In 4 sind schließlich mehrere Ausführungsformen einer Spulenanordnung in dem Messgerät 1 in einer schematischen seitlichen Ansicht dargestellt. 4a) zeigt die erste elektrische Spule 2, die in einem konstanten Abstand über dem Prüfkörper, dem Probekörper 3, zur Messung geführt wird. Die elektrische Spule 2 ist somit gleichzeitig Anregungs- und Messspule. Bei dem in 4b) gezeigten Ausführungsbeispiel ist in einer Ebene neben der ersten elektrischen Spule 2 eine zweite elektrische Spule 8 in dem Messgerät 1 angeordnet. Die erste elektrische Spule 2 ist in diesem Fall die Anregungsspule, die zweite elektrische Spule 8 die Messspule. Die beiden Spulen 2 und 8 sind so angeordnet, dass sie mit gleichem, konstantem Abstand über den Probekörper 3 geführt werden können.
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In dem in 4c) gezeigten Ausführungsbeispiel sind die erste elektrische Spule 2 und die zweite elektrische Spule 8 einander fluchtend gegenüber in dem Messgerät 1 angeordnet. Ein Abstand zwischen den beiden elektrischen Spulen 2 und 8 ist jedoch so groß, dass der Probekörper 3 zwischen den beiden elektrischen Spulen 2 und 8 geführt werden kann, die beiden elektrischen Spulen 2 und 8 sich also auf verschiedenen Seiten des Probekörpers 3 während der Messung befinden. Bei dem in 4d) gezeigten Ausführungsbeispiel befinden sich die beiden elektrischen Spulen 2 und 8 ebenfalls fluchtend übereinander in dem Messgerät 1, jedoch ist nun der Abstand zwischen den beiden elektrischen Spulen so gering, dass der Probekörper 3 nicht mehr zwischen den beiden elektrischen Spulen 2 und 8 durchgeführt werden kann und sich somit beide elektrische Spulen 2 und 8 während der Messung auf der gleichen Seite des Probekörpers 3 befinden. Die als Anregungsspule dienende elektrische Spule 2 ist dabei jedoch näher an dem Probekörper als die als Messspule dienende elektrische Spule 8.
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4e) zeigt ineinander gewickelt elektrische Spulen 2 und 8, die zur Messung über den Probekörper 3 geführt werden. Bei der in 4f) dargestellten Anordnung sind die elektrischen Spulen 2 und 8 nebeneinander liegend wie in 4b) angeordnet, nun jedoch in den Probekörper 3 integriert und erlauben eine interne Überwachung mechanischer Beeinträchtigungen des Probekörpers 3. Die Spulen 2 und 8 sind über Kabel wiederum mit der Spannungsquelle 5 verbunden, so dass das Messgerät 1 teilweise in den Probekörper 3 integriert ist. 4g) zeigt wie 4e) zwei ineinander gewickelte elektrische Spulen 2 und 8, die nun jedoch ebenfalls wie bei der in 4f) dargestellten Anordnung in einem Inneren des Probekörpers 3 angeordnet sind. Zudem kann jede der beschriebenen Ausführungsformen mit oder ohne einen Ferritkern ausgeführt sein.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
