Automatischer Fehlercheck für Rotorblätter in der Produktion
Defekte bereits frühzeitig in der Produktion zu entdecken, spart späteren Arbeitsaufwand und damit auch Geld. Fraunhofer-Forschende haben deshalb jetzt ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe Rotorblätter künftig einfacher geprüft werden könnten.
Foto: Fraunhofer FHR/André Froehly
Das neue Radarverfahren ermöglicht die automatische und zerstörungsfreie Kontrolle des Fertigungsprozesses von Faserverbundwerkstoffen wie Rotorblättern von Windkraftanlagen. Bislang ist ein solches Monitoring aufwendig, denn es erfolgt manuell per Sichtprüfung. Entwickelt wurde das neue Verfahren im Rahmen des Projekts „FiberRadar“ vom Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) gemeinsam mit den Konsortialpartnern Ruhr-Universität Bochum, Fachhochschule Aachen und dem Unternehmen Aeroconcept.
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Kostspieliges Nachbessern nach der Produktion
Glasfaserverstärkte Strukturbauteile kommen zum Beispiel in Rotorblättern zum Einsatz. Bei ihrer Produktion wird die Faserstruktur mit einer Harzmatrix fixiert. Allerdings können Unregelmäßigkeiten in der Ausrichtung und/oder im Verlauf der Faserverstärkung die Qualität des entstandenen Verbundwerkstoffs beeinträchtigen. „Bei der Produktion von Rotorblättern werden Glasfaserlagen übereinander in einer Schale ausgelegt. Erfolgt dies nicht akkurat, kann es zu verschiedenen Defekten wie Wellenbildungen bzw. Ondulation kommen“, sagt Projektleiter André Froehly vom Fraunhofer FHR in Wachtberg. Aber auch die Richtung der Faser könne sich verdrehen und somit die mechanischen Eigenschaften des Bauteils beeinflussen.
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Eine Untersuchung des Faserverlaufs und der Faserschichtung vor dem Einbringen der Harzmatrix war bislang nicht zuverlässig möglich. Dadurch wurden fehlerhafte Stellen erst nach der Produktion – etwa per Ultraschalluntersuchung – entdeckt. In der Folge waren kostspielige Nachbesserungsarbeiten erforderlich. In einigen Fällen mussten Bauteile sogar verschrottet werden.
Produktion: Hochauflösende Defekte in tieferen Schichten erkennen
Das neue Verfahren soll das nun ändern, denn damit lässt sich erstmals automatisch die Ausrichtung der unteren Glasfaserschichten überprüfen. Im Hintergrund arbeitet dazu ein Millimeterwellen-Scansystem, das aus einem Roboter, einem voll-polarimetrischen Radar und spezieller Bildgebungssoftware besteht. Das Verfahren kann Defekte auch durch Änderung der Polarisationsrichtung erkennen. Der Roboter scannt das Bauteil und das Radar übernimmt die Messungen. Sie werden danach von der Software zu einem 3D-Bild zusammengefügt.
Die Besonderheit: Während andere Radare nur über einen Kanal verfügen und somit eine Polarisation zum Senden als auch zum Empfangen nutzen, schickt das neue Radar Signale in zwei Polarisationen aus. Auch empfangen wird in zwei Polarisationen. Dadurch können Faserstrukturen hochauflösend dargestellt und Defekte in tieferen Schichten offengelegt werden. Darüber hinaus verbessert die Brechungskompensation die Bildqualität, indem sie störende Effekte herausrechnet. Durch die Abbildung der einzelnen Schichten mit dem Radar sind die Forschenden in der Lage, Abweichungen in der Faserorientierung zu entdecken und das gesamte Volumen des Materials zerstörungsfrei zu überprüfen.
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Produktreife angestrebt
Einsatzbereit ist das neuartige Verfahren allerdings noch nicht. In Folgeprojekten soll das System nun in Richtung Produktreife weiterentwickelt werden, um es dann im Produktionsprozess einzusetzen. Neben der Geschwindigkeit wollen die Forschenden auch die Tiefenauflösung verbessern, um in kürzerer Zeit noch mehr mögliche Defekte zu erkennen.
