06/03/2023
Door Ad Spijkers
Het detecteren van defecten in vezelcomposietmaterialen tijdens het productieproces wordt mogelijk met behulp van een nieuw type radarproces.
Het nieuwe door een robot gestuurde proces maakt de niet-destructieve en automatische controle van het productieproces van vezelcomposietmaterialen zoals rotorbladen van windturbines mogelijk. Voorheen gebeurde de kwaliteitsbewaking handmatig door visuele inspectie. Het Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) in Wachtberg (bij Bonn) ontwikkelde het innovatieve proces samen met de consortiumpartners Ruhr-Universität Bochum, Fachhochschule Aachen en Aeroconcept in Würselen (bij Aken) het FiberRadar-project.
Productie van composieten
Bij het vervaardigen van glasvezelversterkte structurele componenten, zoals die in rotorbladen, wordt de vezelstructuur gefixeerd met een harsmatrix. Onregelmatigheden in de oriëntatie en/of het verloop van de vezelversterking veranderen de structurele eigenschappen en verminderen zo de kwaliteit van het resulterende composietmateriaal.
Bij de productie van rotorbladen worden lagen glasvezel op elkaar gelegd in een schaal. Als dit niet nauwkeurig gebeurt, kan dit leiden tot verschillende defecten. Maar de richting van de vezel kan ook draaien en zo de mechanische eigenschappen van het onderdeel beïnvloeden.
Tot nu toe was het niet mogelijk om vóór het inbrengen van de harsmatrix de vezelvloeiing en de vezellaag betrouwbaar te onderzoeken. Defecten konden pas achteraf worden opgespoord, bijvoorbeeld door middel van echografisch onderzoek,. Dit maakte een gecontroleerde procesketen onmogelijk en leidde tot kostbare nabewerking of zelfs het afschrijven van componenten.
Potentieel
In het FiberRadar-project hebben de onderzoekers een methode ontwikkeld waarmee de uitlijning van de onderste glasvezellagen niet-destructief en automatisch kan worden gecontroleerd. Het wordt mogelijk gemaakt door een millimetergolfscansysteem dat bestaat uit een robot, een volledig polarimetrische radar en bijbehorende beeldvormingssoftware. Dit maakt gebruik van de polarisatie van de elektromagnetische golven, wat betekent dat het mogelijke defecten kan detecteren door de polarisatierichting te veranderen.
De robot scant het onderdeel, de radar doet de metingen die de software vervolgens samenvoegt tot een 3D-beeld. Maar waar conventionele radars slechts één kanaal hebben en dus één polarisatie gebruiken voor zenden en ontvangen, zendt de nieuwe radar signalen uit in twee polarisaties en worden ook twee polarisaties gebruikt voor ontvangst. Niet alleen kunnen vezelstructuren met hoge resolutie worden weergegeven, maar ook defecten in diepere lagen kunnen gemakkelijk worden onthuld.
Bovendien verbetert de brekingscompensatie de beeldkwaliteit. Het berekent effecten die door breking problematisch kunnen zijn, vooral in diepere lagen. Door de afzonderlijke lagen met de radar in beeld te brengen, kunnen de onderzoekers afwijkingen in de vezeloriëntatie detecteren en het volledige volume van het materiaal niet-destructief controleren.
Samenwerking
In het FiberRadar-project werden de geïntegreerde radartechnologie van de Ruhr-Universität, de algoritme-expertise van Fraunhofer FHR en de robotica-competentie van de FH Aachen gercombineerd. Dit leidde tot de imlementatie van een meetsysteem dat de productie van vezelcomposietmaterialen en de controle van de vervaardigde componenten mogelijk maakt met voorheen onbereikbare precisie.
Dankzij de ervaring van Aeroconcept kan de technologie direct worden geïntegreerd in het fabricage- en bewakingsproces op het gebied van de productie van windturbineschoepen en kan een sleuteltechnologie voor hoogwaardige composietmaterialen worden ontwikkeld. De onderzoekers willen het systeem in vervolgprojecten verder ontwikkelen naar productrijpheid om het in het productieproces te gebruiken. Behalve de snelheid willen ze ook de diepteresolutie verbeteren om zo nog meer mogelijke defecten in een kortere tijd te detecteren.
Foto: Fraunhofer FHR/André Froehly