DE102015009987A1

DE102015009987A1 - Device for nondestructive testing of fiber composite components

Info

Publication number: DE102015009987A1
Application number: DE102015009987.6A
Authority: DE
Inventors: Johannes Solass; Jörg Hildebrand; Falko Böttger-Hiller; Thomas Lampke
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz; Bauhaus Universitaet Weimar
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz; Bauhaus Universitaet Weimar
Priority date: 2015-08-01
Filing date: 2015-08-01
Publication date: 2017-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur zerstörungsfreien Prüfung von Faserverbundbauteilen, wobei wenigstens ein Teil der Fasern im Faserverbundbauteil wenigstens eine Umhüllung aus einem elektrisch leitenden Material aufweisen. Die Einrichtungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass lokale Schädigungen in den Faserverbundbauteilen leicht zerstörungsfrei zu ermitteln sind. Dazu sind die die Umhüllung aufweisenden Fasern mit einer elektrischen Spannungsquelle als elektrische Energiequelle verbunden, so dass in der Umhüllung ein elektrischer Strom fließt. Weiterhin sind mindestens ein Infrarotdetektor zur Erfassung der Oberflächentemperatur und wenigstens ein Magnetfelddetektor zur Erfassung des elektrischen Stromflusses in den Umhüllungen der Fasern so angeordnet, dass eine durch eine Schädigung einer Umhüllung hervorgerufene Änderung des Stromflusses und eine daraus resultierende Änderung der Temperatur und des Magnetfeldes detektierbar sind.The invention relates to devices for nondestructive testing of fiber composite components, wherein at least a portion of the fibers in the fiber composite component have at least one sheath made of an electrically conductive material. The devices are characterized in particular by the fact that local damage in the fiber composite components can be determined easily without destruction. For this purpose, the fibers having the sheathing are connected to an electrical voltage source as an electrical energy source, so that an electric current flows in the sheath. Furthermore, at least one infrared detector for detecting the surface temperature and at least one magnetic field detector for detecting the flow of electrical current in the sheaths of the fibers are arranged such that a change in the current flow caused by damage to a sheath and a resulting change in the temperature and the magnetic field are detectable.

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur zerstörungsfreien Prüfung von Faserverbundbauteilen, wobei wenigstens ein Teil der Fasern im Faserverbundbauteil wenigstens eine Umhüllung aus einem elektrisch leitenden Material aufweisen.The invention relates to devices for nondestructive testing of fiber composite components, wherein at least a portion of the fibers in the fiber composite component have at least one sheath made of an electrically conductive material.

An großflächigen Faserverbundbauteilen treten oftmals nur sehr lokale Schädigungen auf, die eine komplette Erneuerung des Bauteils wirtschaftlich nicht rechtfertigen. Um eine Resttragfähigkeit zu bewerten, ist die Einbindung der Fasern in der sie umgebenden Matrix zu ermitteln.On large-area fiber composite components often only very local damage occur, which does not justify a complete renewal of the component economically. In order to evaluate a residual capacity, the involvement of the fibers in the surrounding matrix is to be determined.

Durch die Druckschrift DE 10 2010 038 522 B4 ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Verlaufsrichtung von Fasern eines Preformlings bekannt, in dem zumindest eine Prüfelektrode eingebracht ist, um in einem vorbestimmten Prüffeld verlaufende Fasern zu kontaktieren. Dabei wird über die Prüfelektrode ein elektrischer Prüfstrom durch die kontaktierten Fasern geleitet, um die Fasern konduktiv aufzuheizen und wobei eine von den aufgeheizten Fasern emittierte Infrarotstrahlung mittels eines Infrarotsensors in einem vorgegebenen Raster erfasst und von dem Infrarotsensor generierte Messwerte zur Bestimmung der Verlaufsrichtung der Fasern ausgewertet werden. Eine Ermittlung von Schädigungen ist nicht vorgesehen.Through the publication DE 10 2010 038 522 B4 For example, there is known a method of determining a course of fibers of a preform in which at least one test electrode is inserted in order to contact fibers running in a predetermined test field. In this case, an electrical test current is passed through the contacted fibers via the test electrode in order to conductively heat the fibers and wherein an infrared radiation emitted by the heated fibers is detected by means of an infrared sensor in a predetermined pattern and measured values generated by the infrared sensor are evaluated to determine the direction of progression of the fibers , A determination of damage is not provided.

Die Druckschrift DE 10 2012 006 155 A1 beinhaltet eine Sensoreinrichtung und ein Verfahren zur Detektierung und Lokalisierung von Rissen in Bauteilen. Die Bauteile sind dazu bevorzugt elektrisch leitfähige Kunststoffbauteile. Die Einrichtung und das Verfahren basieren auf einer Induzierung und einem Empfang von Radio- und/oder Mikrowellen bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen und/oder Mikrorissen oder bei vorhandenen Rissen in einem Bauteil. Dazu ist eine Vorrichtung mit einer Sensoreinrichtung, die Radio- oder Mikrowellen empfangen und in elektrische Signale umwandeln kann, und zumindest eine elektrische Spannungsquelle, die zum Anlegen einer Spannung an dem Bauteil geeignet ist, vorgesehen. Eine während des Kontaktbruches oder während der Kontaktentstehung bei der Schädigung des elektrisch leitenden Materials entstehende Mikrowellenemission ist dadurch detektierbar. Diese Lösungen sind auf die Rissbildung und damit auf die Detektion von Rissen in den Bauteilen als elektrisch leitfähige Kunststoffbauteile beschränkt.The publication DE 10 2012 006 155 A1 includes a sensor device and method for detecting and locating cracks in components. The components are preferably electrically conductive plastic components. The device and method are based on induction and reception of radio and / or microwaves in the formation and propagation of cracks and / or microcracks, or in the presence of cracks in a component. For this purpose, a device with a sensor device that can receive and convert radio or microwaves into electrical signals and at least one electrical voltage source that is suitable for applying a voltage to the component is provided. A resulting during the contact breakage or during the contact formation in the damage of the electrically conductive material microwave emission is thereby detectable. These solutions are limited to the formation of cracks and thus to the detection of cracks in the components as electrically conductive plastic components.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, lokale Schädigungen in Faserverbundbauteilen zerstörungsfrei zu ermitteln.The specified in claim 1 invention is the object of non-destructive local damage in fiber composite components.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.This object is achieved with the features listed in claim 1.

Die Einrichtungen zur zerstörungsfreien Prüfung von Faserverbundbauteilen, wobei wenigstens ein Teil der Fasern im Faserverbundbauteil wenigstens eine Umhüllung aus einem elektrisch leitenden Material aufweisen, zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass lokale Schädigungen in den Faserverbundbauteilen leicht zerstörungsfrei zu ermitteln sind.The devices for nondestructive testing of fiber composite components, wherein at least a portion of the fibers in the fiber composite component comprise at least one sheath of an electrically conductive material, are characterized in particular by the fact that local damage in the fiber composite components are easy to determine nondestructive.

Dazu sind die die Umhüllung aufweisenden Fasern mit einer elektrischen Spannungsquelle als elektrische Energiequelle verbunden, so dass in der Umhüllung ein elektrischer Strom fließt. Weiterhin sind mindestens ein Infrarotdetektor zur Erfassung der Oberflächentemperatur und wenigstens ein Magnetfelddetektor zur Erfassung des elektrischen Stromflusses in den Umhüllungen der Fasern so angeordnet, dass eine durch eine Schädigung einer Umhüllung hervorgerufene Änderung des Stromflusses und eine daraus resultierende Änderung der Temperatur und des Magnetfeldes detektierbar sind.For this purpose, the fibers having the sheathing are connected to an electrical voltage source as an electrical energy source, so that an electric current flows in the sheath. Furthermore, at least one infrared detector for detecting the surface temperature and at least one magnetic field detector for detecting the flow of electrical current in the sheaths of the fibers are arranged such that a change in the current flow caused by damage to a sheath and a resulting change in the temperature and the magnetic field are detectable.

Oftmals treten sehr lokale Schädigungen an großflächigen Faserverbundbauteilen auf, die eine komplette Erneuerung des Bauteils wirtschaftlich nicht rechtfertigen. Um die Resttragfähigkeit dieser Bauteile bewerten zu können, ist die Einbindung der Fasern in der Matrix zu prüfen. Dazu sind wenigstens ein Teil der Fasern mit einer Umhüllung aus einem elektrisch leitfähigen Material versehen. Die Umhüllung dient weiterhin gleichzeitig dazu, die Fasern in die Matrix einzubinden. Dabei wird eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Fasern und Matrix realisiert. Kommt es zu einem Versagen der Umhüllung oder einem Versagen der Umhüllung als Schicht zwischen Faser und Matrix so besteht die Gefahr, dass die Fasern aus der Matrix herausgezogen werden und sich fortan nur noch eingeschränkt an der Lastabtragung beteiligen können.Often occur very local damage to large-scale fiber composite components that do not justify a complete renewal of the component economically. In order to assess the residual capacity of these components, the integration of the fibers in the matrix is to be tested. For this purpose, at least a part of the fibers are provided with a sheath made of an electrically conductive material. The coating also serves simultaneously to integrate the fibers into the matrix. In this case, a frictional connection between fibers and matrix is realized. If there is a failure of the sheath or a failure of the sheath as a layer between the fiber and matrix so there is a risk that the fibers are pulled out of the matrix and henceforth can participate only to a limited extent in the load transfer.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Qualitätssicherung durch eine abschnittsweise oder kontinuierliche Prüfung der einzelnen Fasern verbessert wird. Insbesondere die Möglichkeit die Umhüllung auf Risse, Fehlstellen und Schichtdicke zu kontrollieren erlaubt neben der Prüfung darüber hinaus eine zielgerichtete Optimierung der Herstellungsverfahren der Faserverbundbauteile.Another advantage is that a quality assurance is improved by a section-wise or continuous examination of the individual fibers. In particular, the possibility of controlling the coating for cracks, defects and layer thickness allows, in addition to the examination beyond a targeted optimization of the manufacturing process of fiber composite components.

Wesentlicher Vorteil ist die zerstörungsfreie Prüfung der Umhüllung als Beschichtung oder Zwischenschicht zwischen Faser und Matrix. Insbesondere können damit aus der Matrix herausgezogene Fasern detektiert werden, um die Resttragfähigkeiten der Faserverbundbauteile abschätzen zu können. Durch regelmäßige Überwachung der Faserverbundbauteile mit hohen Lastwechseln kann darüber hinaus der Steifigkeitsabfall des Verbundwerkstoffes erfasst werden. Die auf diesem Wege gewonnenen Daten lassen sich für die weitere Optimierung und Auslegung von Faserverbundbauteilen, insbesondere unter wechselnder Beanspruchung, nutzen. Dabei können Materialparameter für Fatigue-Ansätze gewonnen werden.The main advantage is the non-destructive testing of the coating as a coating or intermediate layer between fiber and matrix. In particular, fibers drawn out of the matrix can thus be detected in order to be able to estimate the residual capacities of the fiber composite components. By regularly monitoring the fiber composite components with high load changes, the stiffness drop of the composite material can also be detected. The data obtained in this way can be used for further optimization and Design of fiber composite components, especially under changing stress, use. Material parameters for fatigue approaches can be obtained.

Dazu wird an eine mit einer Umhüllung aus einem elektrisch leitfähigen Material versehene Faser eine elektrische Spannung angelegt, um einen Stromfluss in der Umhüllung und damit der Beschichtung zu erzeugen. Dazu sind die mit Umhüllung versehenen Fasern mit einer elektrischen Spannungsquelle, als elektrische Energiequelle, fest oder lösbar verbunden. Das kann einfach durch bekannte Steckverbinder realisiert sein. Grundsätzlich ist sowohl die Verwendung von Gleichstrom aber auch Wechselstrom möglich. Geht man davon aus, dass die Querschnittsfläche der Umhüllung in Faserrichtung weitgehend konstant ist, dann wird sich eine gleichmäßige Erwärmung der Umhüllung über die Faserlänge aufgrund des elektrischen Widerstandes einstellen. Diese Erwärmung kann mit dem Infrarotdetektor bestimmt werden. Darüber hinaus wird der elektrische Stromfluss in der Umhüllung gemessen. Kommt es durch mechanische Beanspruchung zu einem Bruch oder Defekt der Umhüllung, so verringert sich lokal die Querschnittsfläche der Umhüllung mit der Folge einer erhöhten Wärmeentwicklung im Restquerschnitt der Umhüllung. Darüber hinaus kommt es zu einer Änderung der Stromstärke und damit verbunden zu einer Änderung des umgebenden Magnetfeldes, die mit dem Magnetfelddetektor erfasst wird. Bei einem kompletten Versagen der Umhüllung wäre überhaupt kein Stromfluss mehr messbar, ebenso würde keine Erwärmung der Umhüllung registriert werden. Daraus kann auf einen umlaufenden Riss in der Umhüllung geschlossen werden. Zeigen sich hingegen einzelne über die Faserlänge verteilte Hotspots mit zugehörigen Stromstärkeänderungen, so kann auf eine teilweise Beschädigung der Umhüllung als Interfaceschicht geschlossen werden. Dazu können die Faserverbundbauteile sowohl einzeln geprüft als auch kontinuierlich überwacht werden.For this purpose, an electrical voltage is applied to a fiber provided with an envelope made of an electrically conductive material in order to generate a current flow in the envelope and thus the coating. For this purpose, the coated fibers are connected to an electrical voltage source, as an electrical energy source, fixed or detachable. This can be easily realized by known connectors. In principle, both the use of direct current and alternating current is possible. Assuming that the cross-sectional area of the cladding in the fiber direction is substantially constant, then a uniform heating of the cladding over the fiber length will be established due to the electrical resistance. This heating can be determined with the infrared detector. In addition, the electrical current flow in the enclosure is measured. If, due to mechanical stress, a breakage or defect of the covering occurs, then locally the cross-sectional area of the covering decreases with the consequence of increased heat development in the remaining cross-section of the covering. In addition, there is a change in the current and, consequently, a change in the surrounding magnetic field, which is detected by the magnetic field detector. In a complete failure of the envelope no current flow would be measurable at all, as well as no warming of the envelope would be registered. This can be concluded that a circumferential crack in the envelope. If, on the other hand, individual hotspots distributed over the fiber length show associated changes in the amperage, it is possible to conclude that the casing is partially damaged as an interface layer. For this purpose, the fiber composite components can be both individually tested and continuously monitored.

Damit lassen sich weiterhin Aussagen über die Degradation oder den Versagensfortschritt von wechselbeanspruchten Faserverbundbauteilen, wie beispielsweise Tragflächen, Rotorblätter, Rumpfstrukturen, oder dergleichen, ermitteln. Darüber hinaus lassen sich auch Aussagen über den Ort und die Ausdehnung einer Schädigung treffen. Dazu können auch Fasern mit einer Metallbeschichtung oder einer anderen elektrisch leitenden Beschichtung gezielt in flächige Bauteile eingebunden werden, um gezielt die Primärstruktur überwachen zu können.This allows further statements about the degradation or the progress of failure of wechselbeanspruchten fiber composite components, such as wings, rotor blades, fuselage structures, or the like, determine. In addition, statements about the location and extent of damage can also be made. For this purpose, fibers with a metal coating or another electrically conductive coating can also be deliberately integrated into planar components in order to be able to monitor the primary structure in a targeted manner.

Abweichend dazu lassen sich auch Beschädigungen der einzelnen Faser oder der aufgebrachten Umhüllung erfassen und eine Kontrolle der Schichtdicke der Umhüllung wird ermöglicht.Deviating from this, it is also possible to detect damage to the individual fiber or the applied covering, and it is possible to control the layer thickness of the covering.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 13 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the claims 2 to 13.

Der zu detektierende Schaden ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 wenigstens ein Bruch, ein Riss, eine Dehnung oder eine Stauchung der Umhüllung einer Faser, wobei sich die Querschnittsfläche und daraus folgernd der elektrische Widerstand der Umhüllung an dieser Stelle ändert und eine Änderung der Temperatur und des Magnetfeldes verursacht wird. Diese Änderungen werden mit dem Infrarotdetektor und dem Magnetfelddetektor erfasst.According to the embodiment of claim 2, the damage to be detected is at least a fracture, a crack, an expansion or a compression of the cladding of a fiber, the cross-sectional area and, consequently, the electrical resistance of the cladding changing at this point and a change in temperature and caused by the magnetic field. These changes are detected with the infrared detector and the magnetic field detector.

Der Schaden ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ein vollständiger Bruch oder Riss der Umhüllung einer Faser, so dass der elektrische Stromfluss unterbrochen ist, wobei sowohl keine Temperaturerhöhung als auch kein Magnetfeld vorhanden ist. Diese werden mit dem Infrarotdetektor und dem Magnetfelddetektor erfasst.The damage is according to the embodiment of claim 3, a complete break or crack of the cladding of a fiber, so that the electric current flow is interrupted, both no temperature increase and no magnetic field is present. These are detected with the infrared detector and the magnetic field detector.

Der Schaden ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 eine durch eine Deformation der Matrix hervorgerufene Beschädigung der Umhüllung wenigstens einer der Fasern.The damage is according to the embodiment of claim 4 caused by a deformation of the matrix damage to the envelope of at least one of the fibers.

Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 weisen Fasern Umhüllungen wenigstens zweier verschiedener elektrisch leitender Materialien und/oder mindestens zweier verschiedener Schichtdicken auf. Damit kann wenigstens eine der Fasern als Sollbruchstelle integriert sein. Im Schadens- oder Überlastfall wird die Umhüllung dabei gezielt zeitlich eher deformiert oder beschädigt. Damit kann auch ein entstehender oder fortschreitender Schaden detektiert werden.According to the embodiment of claim 5, fibers have sheathings of at least two different electrically conductive materials and / or at least two different layer thicknesses. Thus, at least one of the fibers can be integrated as a predetermined breaking point. In case of damage or overload, the envelope is deliberately deformed or damaged in time. Thus, an emerging or progressive damage can be detected.

Der Infrarotdetektor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 eine Wärmebildkamera, wobei ein Abbild der Wärme und deren Verteilung im Faserverbundbauteil gewonnen werden. Dieses Abbild wird weiterhin gleichzeitig in dieses Abbild repräsentierende Daten gewandelt.The infrared detector is according to the embodiment of claim 6, a thermal imaging camera, wherein an image of the heat and their distribution are obtained in the fiber composite component. This image will continue to be converted simultaneously into data representing this image.

Der Magnetfelddetektor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 vorteilhafterweise ein Magnetfeldsensor oder ein Array mit Magnetfeldsensoren oder eine Feldplatte. Als Magnetfeldsensor kann beispielsweise ein bekannter Hall-Sensor eingesetzt werden. Diese liefern bekannterweise eine dem Magnetfeld äquivalente elektrische Spannung.The magnetic field detector according to the embodiment of claim 7 advantageously a magnetic field sensor or an array with magnetic field sensors or a field plate. As a magnetic field sensor, for example, a known Hall sensor can be used. As is known, these deliver an electrical voltage equivalent to the magnetic field.

Die Umhüllung aus dem elektrisch leitenden Material ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 vorteilhafterweise ein Metall oder ein elektrisch leitender Kunststoff. Diese Schicht ist vorteilhafterweise gleichzeitig eine Zwischenschicht zwischen Faser und diese umgebender Matrix. Insbesondere mit einer Umhüllung aus einem elektrisch leitenden Kunststoff kann sich ein inniger Verbund zwischen Faser und Matrix ausbilden. Die Umhüllung aus einem Kunststoff kann dazu Partikel aus einem Metall, einer Metalllegierung oder Kohlenstoff aufweisen, die die elektrische Leitfähigkeit gewährleisten.The enclosure of the electrically conductive material is according to the embodiment of claim 8 advantageously a metal or an electrically conductive plastic. This layer is advantageously at the same time an intermediate layer between fiber and this surrounding matrix. In particular, with a sheath of an electric conductive plastic can form an intimate bond between fiber and matrix. The casing made of a plastic may have particles of a metal, a metal alloy or carbon, which ensure the electrical conductivity.

Die Wärmebildkamera als Infrarotdetektor und der Magnetfelddetektor sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 mit einem Datenverarbeitungssystem zusammengeschaltet, wobei die mit der Wärmebildkamera gewonnenen Abbilder im Datenverarbeitungssystem gespeichert werden. Damit kann ein Fortschritt in der Schädigung eines Faserverbundbauteils nachverfolgt werden.The thermal imaging camera as an infrared detector and the magnetic field detector are interconnected according to the embodiment of claim 9 with a data processing system, wherein the images obtained with the thermal imager are stored in the data processing system. Thus, an advance in the damage of a fiber composite component can be tracked.

Das Faserverbundbauteil ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 ein flächig ausgebildetes Bauteil.The fiber composite component is according to the embodiment of claim 10, a flat formed component.

Der Infrarotdetektor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 so angeordnet, dass dieser die Temperatur wenigstens eines Bereichs der Oberfläche einer ersten Seite des Faserverbundbauteils erfasst. Weiterhin befindet sich der Magnetfelddetektor entweder auf oder beabstandet zu der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Faserverbundbauteils zur Messung des aus dem elektrischen Stromfluss resultierenden Magnetfeldes mindestens des Bereichs. Beide Detektoren können leicht gleichzeitig eingesetzt werden, ohne das eine Beeinflussung gegeneinander vorhanden ist.The infrared detector is arranged according to the embodiment of claim 11 so that it detects the temperature of at least a portion of the surface of a first side of the fiber composite component. Furthermore, the magnetic field detector is either at or spaced from the second side of the fiber composite component opposite the first side for measuring the magnetic field resulting from the electric current flow of at least the region. Both detectors can easily be used simultaneously without influencing each other.

Der Magnetfeldsensor und die Wärmebildkamera sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 beabstandet zum Faserverbundbauteil und entweder in der x-y-Ebene oder sowohl in der x-y-Ebene als auch in z-Richtung unabhängig voneinander verfahrbar angeordnet. Damit können auch großflächige Faserverbundbauteile einfach detektiert werden. Vorteilhafterweise kann das auch in der z-Richtung erfolgen, so dass auch gekrümmte Faserverbundbauteile prüfbar sind. Bei einer Änderung in z-Richtung wird dazu der Abstand zwischen dem jeweiligen Detektor und dem Faserverbundbauteil geändert. Als Magnetfeldsensor kann ein bekannter Hall-Sensor vorgesehen sein.The magnetic field sensor and the thermal imaging camera are according to the embodiment of claim 12 spaced from the fiber composite component and arranged to move independently either in the x-y plane or in both the x-y plane and in the z-direction. This also large-scale fiber composite components can be easily detected. Advantageously, this can also be done in the z-direction, so that even curved fiber composite components can be tested. In the case of a change in the z direction, the distance between the respective detector and the fiber composite component is changed. As a magnetic field sensor, a known Hall sensor can be provided.

Das Array von Magnetfeldsensoren ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 13 auf dem Faserverbundbauteil angeordnet und damit ein Bestandteil des Faserverbundbauteils. Damit ist eine kontinuierliche Überwachung des Faserverbundbauteils leicht möglich. Als Magnetfeldsensor kann ein bekannter Hall-Sensor angeordnet sein.The array of magnetic field sensors is arranged according to the embodiment of claim 13 on the fiber composite component and thus a part of the fiber composite component. For a continuous monitoring of the fiber composite component is easily possible. As a magnetic field sensor, a known Hall sensor can be arranged.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is illustrated in principle in the drawings and will be described in more detail below.

Es zeigen:Show it:

1 eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Faserverbundbauteilen, 1 a device for nondestructive testing of fiber composite components,

2 ein Faser-Matrix-System und 2 a fiber matrix system and

3 eine Faser mit einer Umhüllung aus einem Metall mit einem Schaden. 3 a fiber with a coating of a metal with a damage.

Eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Faserverbundbauteilen 1, wobei wenigstens ein Teil der Fasern als erste Fasern 2 im Faserverbundbauteil 1 wenigstens eine Umhüllung aus einem elektrisch leitenden Material aufweisen, besteht im Wesentlichen aus einem Infrarotdetektor 3 zur Erfassung der Oberflächentemperatur und einem Magnetfelddetektor zur Erfassung des elektrischen Stromflusses in den Umhüllungen der ersten Fasern 2.A device for non-destructive testing of fiber composite components 1 wherein at least a portion of the fibers are first fibers 2 in the fiber composite component 1 comprise at least one sheath of an electrically conductive material, consists essentially of an infrared detector 3 for detecting the surface temperature and a magnetic field detector for detecting the flow of electric current in the claddings of the first fibers 2 ,

Die 1 zeigt eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Faserverbundbauteilen 1 in einer prinzipiellen Darstellung.The 1 shows a device for non-destructive testing of fiber composite components 1 in a schematic representation.

Die Einrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Faserverbundbauteilen 1 besteht aus einer Wärmebildkamera als Infrarotdetektor 3 und einem Magnetfeldsensor als Magnetfelddetektor. Der Magnetfeldsensor kann insbesondere ein Hall-Sensoren-Array 4 sein, wobei die Hall-Sensoren 5 des Hall-Sensor-Arrays 4 mit einem Datenverarbeitungssystem 6 verbunden sind. Das Faserverbundbauteil 1 besitzt erste Fasern 2, die wenigstens eine Umhüllung aus einem elektrisch leitenden Material aufweisen. Daneben können auch zweite Fasern 7 ohne eine Umhüllung die Bestandteile des Faserverbundbauteils 1 sein. Das Faserverbundbauteil 1 ist ein flächig ausgebildetes Faserverbundbauteil.The device for nondestructive testing of fiber composite components 1 consists of a thermal imaging camera as an infrared detector 3 and a magnetic field sensor as a magnetic field detector. The magnetic field sensor may in particular be a Hall sensor array 4 be, with the Hall sensors 5 of the Hall sensor array 4 with a data processing system 6 are connected. The fiber composite component 1 has first fibers 2 comprising at least one sheath made of an electrically conductive material. In addition, also second fibers 7 without an envelope, the components of the fiber composite component 1 be. The fiber composite component 1 is a flat formed fiber composite component.

Die 2 zeigt ein Faser-Matrix-System in einer prinzipiellen Darstellung.The 2 shows a fiber-matrix system in a schematic representation.

Die erste Faser 2 ist mit einer Metallschicht 9 als die elektrisch leitfähige Umhüllung versehen. Diese erste Faser 2 ist in einer Matrix 10 eingebettet. Dazu kann die Metallschicht 9 auch von einer weiteren Schicht 11 als Umhüllung umgeben sein, wobei diese Schicht 11 eine weitere Matrix sein kann. Die Matrizen können dabei unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Die weitere Matrix kann somit die Festigkeit zwischen Matrix 10 und Metallschicht 9 erhöhen.The first fiber 2 is with a metal layer 9 provided as the electrically conductive sheath. This first fiber 2 is in a matrix 10 embedded. This can be done by the metal layer 9 also from another layer 11 be surrounded as an envelope, this layer 11 another matrix can be. The matrices can have different properties. The additional matrix can thus improve the strength between the matrix 10 and metal layer 9 increase.

Die die Umhüllung aufweisenden ersten Fasern 2 sind mit einer elektrischen Spannungsquelle als elektrische Energiequelle 8 verbunden, so dass in der Umhüllung ein elektrischer Strom fließt. Die Wärmebildkamera und das Hall-Sensoren-Array 4 sind so angeordnet, dass eine durch eine Schädigung einer Umhüllung hervorgerufene Änderung des Stromflusses und eine daraus resultierende Änderung der Temperatur und des Magnetfeldes 13, 14 detektierbar sind. In der 1 ist dazu beispielhaft ein Bereich 15 mit dem Schaden 12 gezeigt.The wrapping having first fibers 2 are with an electrical voltage source as an electrical energy source 8th connected so that in the enclosure, an electric current flows. The thermal imaging camera and the Hall sensor array 4 are arranged such that a change in the flow of current caused by damage to a sheath and a resulting change in the temperature and the magnetic field 13 . 14 are detectable. In the 1 is an example of an area 15 with the damage 12 shown.

Dazu zeigt die 3 eine erste Faser 2 mit einer Umhüllung aus einem Metall mit einem Schaden 12 in einer prinzipiellen Darstellung.This shows the 3 a first fiber 2 with a wrapping of a metal with a damage 12 in a schematic representation.

Der Schaden 12 ist hier als ein Bruch oder ein Riss gezeigt. Darüber hinaus können auch eine Dehnung oder eine Stauchung der Umhüllung einer ersten Faser 2, ein vollständiger Bruch oder Riss der Umhüllung einer ersten Faser 2 oder eine Deformation der Matrix 10 oder der weiteren Matrix Schäden 12 sein. Der Schaden 12 führt zu Änderung der Querschnittsfläche und daraus folgernd des elektrischen Widerstands der Umhüllung an dieser Stelle, die eine Änderung der Temperatur und des Magnetfeldes 13, 14 verursacht, wobei die Stärke des Magnetfeldes 14 kleiner als die Stärke des Magnetfeldes 13 ohne Schaden ist. Diese Änderungen werden mit der Wärmebildkamera und dem Hall-Sensoren-Array 4 erfasst und im Datenverarbeitungssystem 6 gespeichert und nach vorgegebenen Kriterien verarbeitet. Aus den Änderungen können somit Rückschlüsse auf den Ort der Beschädigung geschlossen werden. Gleichzeitig kann aber auch der Verlauf der ersten Fasern 2 ermittelt werden. Die erfassten Daten werden im Datenverarbeitungssystem 6 gespeichert, so dass diese zum Vergleich nutzbar sind. Das ist insbesondere bei einer zeitlich aufeinanderfolgenden Prüfung des gleichen Faserverbundbauteils 1 vorteilhaft, wobei sich ausbildende und sich weiter entwickelnde Schäden 12 beurteilbar sind.The damage 12 is shown here as a break or a crack. In addition, an elongation or compression of the sheath of a first fiber can also be used 2 , a complete break or tear of the cladding of a first fiber 2 or a deformation of the matrix 10 or the further matrix damage 12 be. The damage 12 leads to change in the cross-sectional area and, consequently, the electrical resistance of the cladding at this point, which is a change in temperature and magnetic field 13 . 14 causing the strength of the magnetic field 14 less than the strength of the magnetic field 13 without damage. These changes are made with the thermal imaging camera and the Hall sensor array 4 captured and in the data processing system 6 stored and processed according to predetermined criteria. Conclusions on the location of the damage can thus be deduced from the changes. At the same time, but also the course of the first fibers 2 be determined. The collected data is stored in the data processing system 6 stored so that they can be used for comparison. This is especially true in a sequential examination of the same fiber composite component 1 advantageous, with developing and developing damage 12 are assessable.

In einer Ausführungsform ist die Wärmebildkamera so angeordnet, dass diese die Temperatur wenigstens eines Bereichs der Oberfläche einer ersten Seite des Faserverbundbauteils 1 erfasst. Weiterhin befindet sich das Hall-Sensoren-Array 4 entweder auf oder beabstandet zu der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Faserverbundbauteils 1 zur Messung des aus dem elektrischen Stromfluss resultierenden Magnetfeldes 13, 14 mindestens des Bereichs.In one embodiment, the thermal imaging camera is arranged to match the temperature of at least a portion of the surface of a first side of the fiber composite component 1 detected. Furthermore, the Hall sensor array is located 4 either on or spaced from the first side opposite the second side of the fiber composite component 1 for measuring the magnetic field resulting from the electric current flow 13 . 14 at least the area.

In einer weiteren Ausführungsform sind das Hall-Sensoren-Array 4 und die Wärmebildkamera beabstandet zum Faserverbundbauteil 1 und entweder in der x-y-Ebene oder sowohl in der x-y-Ebene als auch in z-Richtung unabhängig voneinander verfahrbar angeordnet.In a further embodiment, the Hall sensor array 4 and the thermal imager spaced from the fiber composite component 1 and arranged to be independently movable either in the xy plane or both in the xy plane and in the z direction.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102010038522 B4 [0003]
DE 102012006155 A1 [0004]

Claims

Device for non-destructive testing of fiber composite components, wherein at least a part of the fibers in the fiber composite component have at least one sheath made of an electrically conductive material, characterized in that the sheathing fibers with an electrical voltage source as an electrical energy source ( 8th ), so that an electric current flows in the envelope, that at least one infrared detector ( 3 ) for detecting the surface temperature and at least one magnetic field detector for detecting the flow of electrical current in the sheaths of the fibers are arranged such that a change in the current flow caused by damage to a sheath and a resulting change in the temperature and the magnetic field ( 13 . 14 ) is detectable.

Device according to claim 1, characterized in that the damage ( 12 ) is at least a fracture, a crack, an elongation or a compression of the cladding of a fiber, wherein the cross-sectional area and, consequently, the electrical resistance of the cladding changes at this point and a change in the temperature and the magnetic field ( 13 . 14 ) is caused.

Device according to claim 1, characterized in that the damage ( 12 ) is a complete break or tear of the cladding of a fiber, so that the electrical current flow is interrupted, with both no temperature increase and no magnetic field ( 13 . 14 ) is available.

Device according to claim 1, characterized in that the damage ( 12 ) one by a deformation of the matrix ( 10 ) is damage to the enclosure of at least one of the fibers.

Device according to claim 1, characterized in that fibers have sheaths of at least two different electrically conductive materials and / or at least two different layer thicknesses.

Device according to claim 1, characterized in that the infrared detector ( 3 ) is a thermal imaging camera.

Device according to claim 1, characterized in that the magnetic field detector is a magnetic field sensor or an array with magnetic field sensors or a field plate.

Device according to claim 1, characterized in that the sheath of the electrically conductive material is a metal, a metal alloy or an electrically conductive plastic.

Device according to claims 1 and at least one of claims 2 to 5, characterized in that the thermal imaging camera as an infrared detector ( 3 ) and the magnetic field detector with a data processing system ( 6 ), wherein the images obtained with the thermal imaging camera in the data processing system ( 6 ) get saved.

Device according to claim 1, characterized in that the fiber composite component ( 1 ) is a flat formed component.

Device according to claim 1, characterized in that the infrared detector ( 3 ) is arranged so that it the temperature of at least a portion of the surface of a first side of the fiber composite component ( 1 ) and that the magnetic field detector is either at or spaced from the first side opposite the second side of the fiber composite component (FIG. 1 ) for measuring the magnetic field resulting from the flow of electric current ( 13 . 14 ) of at least the area.

Device according to claims 1, 6 and 7, characterized in that the magnetic field sensor and the thermal imaging camera spaced apart from the fiber composite component ( 1 ) and are arranged to be movable independently of one another either in the xy plane or both in the xy plane and in the z direction.

Device according to claims 1 and 7, characterized in that the array of magnetic field sensors on the fiber composite component ( 1 ) and thus part of the fiber composite component ( 1 ) are.