Schadendetektion für Flüssigwasserstofftanks aus Faserverbundwerkstoffen auf Basis passiver akustischer Emissionen

Ziele des Projektes VibroSenLH2

Ziel des Projektes „VibroSenLH2“ ist die Entwicklung eines Sensorsystems zur Echtzeitüberwachung von Flüssigwasserstofftanks (LH2: Flüssigwasserstoff) aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Solche Tanksysteme sind aufgrund von niedrigen Einsatztemperaturen und hohen Temperaturgradienten beim Befüllen extremen Belastungen ausgesetzt. Dies begünstigt die Ausbreitung von Mikrorissen, was langfristig in einer zunehmenden Undichtigkeit der Tanks resultiert. Diese Wasserstoffverluste verringern die Energieeffizienz und stellen eine Gefahr durch den unkontrolliert austretenden Wasserstoff dar. Aus Gründen der Betriebssicherheit müssen die Tanks in festen Intervallen ausgetauscht werden. Dies steigert den Ressourcen- und Energieverbrauch durch die zusätzliche Fertigung und Entsorgung von Tanks und den Transport. Für die Überwachung der Speicher aus Metall oder Faserverbund und die echtzeitfähige Erkennung von Schäden existiert bisher keine geeignete Methode. Das angestrebte Sensorsystem wird die Entstehung und das Wachstum von Schädigungen intelligent und in Echtzeit überwachen. Die technologische Basis für die Überwachung sind die sich über eine Struktur ausbreitenden Körperschallsignale bei Schädigungsereignissen. Den Ausgangspunkt bilden die Entwicklung der Bauteilintegration von Körperschallsensoren und die Entwicklung des zugehörigen Messsystems. Beide Komponenten werden für die Fusion von aktivem und passivem Monitoring genutzt. Bei der aktiven Überwachung (Durchschallung) werden definierte Schallimpulse in die zu untersuchende Struktur eingebracht. Anhand der spezifischen Sensorantwort werden vorhandene Schädigungen festgestellt. Bei der passiven Methode (akustische Emissionen) wird eine Struktur kontinuierlich auf Schädigungsereignisse überwacht. Während Schadenentstehungs- und Wachstumsprozessen werden Körperschallwellen ausgesendet und von einem Sensor detektiert. Dies ermöglicht die Echtzeitfähigkeit. Dabei hebt die Kombination der beiden Methoden deren Einzelnachteile auf und stärkt die Vorteile.

Untersuchungen in Klima-kontrollierter Umgebung

In einem Klimaschrank werden Proben aus kohlestofffaserverstärktem Kunststoff bei Temperaturen von -40 °C bis 60 °C getestet. Dazu sind je zwei oder mehrere piezoelektrische Schallwandler mit speziellen Klebstoffen auf der Oberfläche der Probe appliziert. Bestimmte Parameter werden von Probe zu Probe variiert. So z. B. die Ausrichtung der Fasern in der Probe, die Art des Klebstoffes und die Art der Schallwandler. Für diverse Kombinationen dieser Parameter werden nun Untersuchungen bei vielen Temperaturen durchgeführt. Eine Untersuchung besteht aus der aktiven Anregung durch jeweils einen Schallwandler mit einer Auswahl an Signalen im Ultraschallbereich. Sowohl dieses gesendete Signal, als auch die empfangenen Signale der übrigen Schallwandler werden aufgezeichnet. Anhand dieser Signale lassen sich Rückschlüsse auf das vibroakustische Verhalten der verwendeten Komponenten und deren Interaktion miteinander ziehen.

Passive Strukturüberwachung über Körperschall

Die Detektion von akustischen Emissionen ist eine Möglichkeit der passiven Strukturüberwachung. Bei der passiven Überwachung ist die Quelle der akustischen Emissionen das Schadensereignis in der zu überwachenden Struktur. Bei der aktiven Überwachung ist die Schwingungsquelle der sendende AE-Wandler. Um einen Strukturschaden bei der aktiven Überwachung zu erkennen, muss also eine Veränderung im Schallsignal gemessen werden. Bei einigen Schäden, insbesondere bei Delamination, ist es jedoch möglich, dass das Schallsignal der geführten Welle nicht signifikant durch den Schaden verändert wird. Eine Schadenserkennung ist damit mitunter nicht möglich. Zudem bietet sich bei der passiven Überwachung der Vorteil, dass Charakteristiken in der Schadensquelle für Delamination und einen vertikalen Riss direkt untersucht werden können

Aktive Strukturüberwachung über Körperschall

Bei der aktiven Überwachung von Strukturen über Körperschall wird ein Schallsignal in die Struktur eingebracht und wieder aufgenommen. Das aufgenommene Schallsignal weist dabei eine Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, wie Temperatur, Geometrie der Struktur oder Defekten in der Struktur auf. Jeder dieser Faktoren hat dabei charakteristische Veränderungen des Schallsignals zur Folge. Über die Analyse dieser charakteristischen Veränderungen kann so ein Defekt in der Struktur erkannt werden.    

Stand der Technik ist derzeit die Strukturüberwachung mit geführten Wellen. Diese Art der Strukturüberwachung ist vor allem für den Bereich der Luftfahrt von besonderer Bedeutung. Geführte Wellen breiten sich großflächig in dünnwandigen Strukturen aus und ermöglichen damit die Überprüfung größerer Flächen mit einer geringen Anzahl von Sensoren. Mit dieser Methode ist es möglich, Defekte wie Rissbildung in Metallen und Faserverbundwerkstoffen sowie Delamination in Faserverbundstoffen zu erkennen und zu lokalisieren.

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