Am 22. März 2022 fand das Anwenderseminar für das Verbundprojekt „CarbonSafe 2“ als Online-Seminar statt. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Maßnahme „KMU.innovativ: Elektronik und autonomes Fahren“ gefördert (Förderkennzeichen 16ME0119).

Die Projektpartner INVENT GmbH (Braunschweig), AUCOTEAM GmbH (Berlin) und das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS (Dresden) stellten das im Projekt entwickelte referenzfreie Ultraschall-Prüfsystem für ausgewählte Komponenten aus Faserverbundwerkstoffen im Kraft- und Nutzfahrzeugbereich vor.

Das Anwenderseminar erfolgte in Form einer Vortragsveranstaltung mit anschließender „Live-Vorführung“ und Diskussionsrunde.

Inhalt der Vorträge

Im ersten Vortrag „Anforderungen an die referenzfreie Strukturüberwachung von (gewickelten) CFK-Strukturen“ zeigte Kilian Tschöke (IKTS), dass die Ergebnisse des Vorgängerprojekts „CarbonSafe 1“ zwei Hauptanwendungen zur Strukturüberwachung für „CarbonSafe 2“ liefern, die an einem Längsträger aus einem Nutzfahrzeug (nachträgliche Aufbringung auf planarer Struktur) sowie an einem Druckbehälter (Integration in komplexe Struktur) getestet werden.

Versagensursachen von Drucktanks werden diskutiert: Versagen aufgrund von Impact-Ereignissen wird als relevantester Schadensfall betrachtet. Für referenzfreie Messungen (d. h. ohne Kenntnis des Ausgangszustands) ist die Entwicklung multimodaler Wandler zur Identifikation geführter Wellenmoden notwendig. Bei Lamb-Wellen gibt es sowohl symmetrische als auch antimetrische Wellenmoden. Unterschiedliche Werte der Spannung bzw. Dehnung kann bei gestapelten Wandlern zur Modenidentifikation genutzt werden. An Schäden entstehen Wellenpakete aus Modenkonversion in unterschiedlicher Reihenfolge. Dieses Prinzip aus der Theorie des referenzfreien Messverfahrens wird an den dazu entwickelten Wandlern untersucht. Betrachtet wird das (frequenzabhängige) Amplitudenverhältnis der Moden von zwei Wandlern zunächst für eine unbeschädigte CFK-Platte. Danach werden Kerben unterschiedlicher Länge und Tiefe berücksichtigt. Schadensindikator ist die Energiesumme der Differenz der Hüllkurven der verschiedenen Signalpfade.

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Im zweiten Vortrag „Entwicklung eines nachrüstbaren Wandlernetzwerks für Feldtests“ wurde von Henrik Wittke (INVENT) ebenfalls auf Hauptarbeitspunkte zur Strukturüberwachung für „CarbonSafe 2“ hingewiesen, die sich aus dem Vorgängerprojekt ergeben: die nachträgliche Aufbringung eines Wandlernetzwerks auf planarer Struktur (Längsträger Nutzfahrzeug) sowie die Integration des Netzwerks in eine komplexe Struktur (Drucktank).

Für den ersten Hauptarbeitspunkt wird im nachrüstbaren Wandlernetzwerk eine Weiterentwicklung eines Sensors aus „CarbonSafe 1“ verwendet. Im Vorfeld der Applikation des nachrüstbaren Wandlernetzwerks wurden mehrere Wandler gefertigt, die im Vergleich zu den Standard-Wandlern bereits mit einem geschirmten Kabel und einer Kapselung versehen sind. Bei der Installation des Wandlernetzwerks wurde der CFK-Längsträger eines Nutzfahrzeugs der Fa. CarbonTT mit insgesamt 22 Wandlern ausgestattet. Nachdem alle Wandler appliziert und die Kabel an der Struktur befestigt waren, wurden die Kabel auf Endmaß gebracht und an einen robusten Stecker angeschlossen.

Für den zweiten Hauptarbeitspunkt zum "referenzfreien Messverfahren" werden Piezo-Modulen mit übereinander angeordneten Keramiken (Doppellagenwandler) verwendet. Als kompaktere Weiterentwicklung des Vorgängermodells wurde eine neue Doppellagenwandler-Variante („Charge 2“) gefertigt, die für das Sensornetzwerk eines Drucktanks vorgesehen ist. Tests zur grundsätzlichen Funktionsweise der Doppellagenwandler wurden zunächst bei INVENT an einer CFK-Platte durchgeführt. Weiterführende Tests mit Anregung der Wandler im Ultraschallbereich erfolgten beim IKTS. Nach diesen Tests mit dünnwandigen CFK-Platten wird für künftige Messungen eine CFK-Platte mit einer Wanddicke von ca. 20 mm ausgewählt.

Ein weiteres Thema des Projekts ist die Validierung durch Labortests. Als Beitrag von INVENT wurden hierzu diverse Komponentenprüfkörper mit Wandlern für Umwelttests hergestellt, die dann bei AUCOTEAM untersucht wurden.

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Im dritten Vortrag „Validierung des Systems durch Laborversuche“ von Marijan Custic (AUCOTEAM) werden Arbeitsschwerpunkte in CarbonSafe 2 vorgestellt: z. B. Erstellung einer Anforderungsliste, Aufbau eines Monitoringsystems, Validierung auf Basis verschiedener CFK-Muster durch Laborversuche. Diverse Normen und Werkstandards für Automotive werden berücksichtigt, z. B. MAN M 3499-1. Als Anwendungsfall werden Wasserstofftanks für Nutzfahrzeuge und Busse mit Brennstoffzellenantriebe betrachtet. Zwei Typen von CFK-Mustern werden untersucht. An Testmuster 1 (CFK-Proben mit aufgeklebten Piezomodulen und in Kapton gekapselten Flachleitern) erfolgt eine Prüfung mit trockener Wärme und eine Prüfung mit schnellem Temperaturwechsel. An Testmuster 2 (in Vergussmasse gekapselter Wandler, aufgeklebt auf CFK-Substrat etc.) erfolgt eine Vibrationsprüfung mit Temperaturwechsel und eine Prüfung mit feuchter Wärme. Als Fazit sind keine messtechnischen Auffälligkeiten feststellbar. Alle Prüfungen können als „bestanden“ betrachtet werden.

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Live-Vorführung

Im Labor des IKTS wurde ein Messaufbau mit einem mit Sensoren versehenen Drucktank präsentiert. Die Sensoren sind an das bei „CarbonSafe 1“ entwickelte Diagnosegerät angeschlossen. Eine Störung (Knetmasse) zwischen zwei Wandlern führt zu einer deutlichen Änderung im Vergleich zum Ausgangszustand.

Dr. Henrik Wittke
INVENT GmbH

Weitere Informationen zum Projekt „CarbonSafe 2“ finden Sie im Handout.