Schadensdetektion

Der Prüfung von Bauteilen und Komponenten kommt besonders in den Bereichen Verkehr und Umwelt eine große Bedeutung zu. Im Bahn- und Flugverkehr steht die Sicherheit der Passagiere an erster Stelle. Fehler in der Radlauffläche, wie z. B. Ausbröckelungen, sollen frühzeitig erkannt werden. Das erfordert eine permanente Überwachung von Rädern und Radlagern im Schienenverkehr. Auch an Flugzeugkonstruktionselementen, z. B. Rumpfschalen, werden hohe Anforderungen gestellt, da sie während des Fluges durch Einschläge oder Ermüdung beschädigt werden können.

Im Bereich der erneuerbaren Energien sind Windenergieanlagen besonderen Belastungen ausgesetzt. Die äußeren Einwirkungen auf die Rotorblätter, wie mechanischer Abrieb, klimatische Ereignisse und laufende Lastwechsel, führen im langjährigen Betrieb zu Verschleiß und Alterung. Ebenso können produktionsbedingte Fehlstellen den Betrieb einer solchen Anlage nachhaltig stören oder gar unmöglich machen.

Je eher solche Schädigungen oder Verschleißeffekte ermittelt werden, umso besser sind die Reparaturmöglichkeiten bzw. die Chancen, Folgeschäden vorzubeugen oder gar Katastrophen zu vermeiden.

Für den Schienenverkehr bietet das Fraunhofer IKTS eine robuste und autark arbeitende Lösung, mit der Rad und Radlager überwacht sowie blockierte Bremsen, defekte Federn oder unzulässige Neigungen (z. B. durch Fehlbeladung) detektiert werden können.

Grundlage für das Monitorung sind neben Beschleunigungs- und Temperaturdaten auch die vom Rad-Schiene-Kontakt erzeugten Körperschallsignale. Diese Daten werden mit kundenindividuell angepassten Sensorknoten, bestehend aus Modulen für Sensorik sowie Signalverarbeitungs- und Funkprozessoren, aufgenommen und ausgewertet. Eine Instrumentierung und Betreuung von Versuchsfahrten runden das Angebot zu dieser Monitoring-Lösung ab.

Für die Überwachung von ICE-Rädern bietet das Fraunhofer IKTS ein Messsystem an, das dauerhaft in der Hohlwelle des Radsatzes verbleibt. Hierbei ermöglicht die Verarbeitung von Hochfrequenz-Körperschallsignalen, die durch den Rad-Schiene-Kontakt erzeugt werden, sowohl eine Überwachung der Räder als auch der Schiene auf Beschädigungen.

Ein integrierbares System zur Überwachung der Rotorblätter von Windenergieanlagen ermöglicht eine zustandsabhängige Instandhaltung der Bauteile. Zur Detektion von Schäden, wie Strukturschäden, Eisansatz und aerodynamischen Unwuchten oder Blitzeinschlägen, kommt das passive Verfahren der Schallemissionsprüfung (Acoustic Emission Testing) zum Einsatz.

Bei diesem Verfahren werden spezielle Ultraschallwellen genutzt, die durch Belastungen in der Struktur entstehen (Schallemissionen). Diese werden von piezoelektrischen Sensoren detektiert. Die Häufung und die Verteilung der georteten Schallemissionsereignisse bilden den aktuellen Schädigungsprozess ab. Da aus Blitzschutzgründen in Windenergieanlagen keine metallischen Leiter in das Rotorblatt eingebracht werden dürfen, wurde eine optische Energie- und Datenübertragung realisiert.

Das IKTS-System ermöglicht so die Einschätzung des Bauteilzustands bis zur nächsten Inspektion und optimiert damit die Planung von Service-Einsätzen.

Flugzeugentwickler setzen auf Leichtbaumaterialien für ein geringeres Flugzeuggewicht. Die eingesetzten Kohlefaser-Verbundwerkstoffe (CFK) stellen jedoch besondere Anforderungen an Verarbeitung, Qualitätskontrolle und Inspektion.

Aus Gründen der Sicherheit ist es wegen der hohen Beanspruchungen im Flugverkehr unabdingbar, Risse und Einschläge so früh wie möglich zu erkennen. Mit Hilfe aktiver und passiver Ultraschalldiagnose können Beschädigungen sowohl frühzeitig erkannt als auch auf ihre Schwere hin automatisch eingeschätzt werden.

Die Prüfung und Überwachung der eingesetzten Materialien, wie die strukturelle Integrität von Flugzeug-Rumpfschalen, erfolgt derzeit noch in Belastungstests am Boden. Diese Überwachung soll in Zukunft auch während des Einsatzes in der Luft stattfinden.