Simulationsgestützte Auslegung von Sensoren für die Hochfrequenzwirbelstromprüfung an multiaxialen Kohlenstofffasergelegen

Die zerstörungsfreie Prüfung mittels Wirbelstroms an gering elektrisch leitfähigen Bauteilen hat in den letzten Jahrzehnten enorm zugenommen. Mit der Möglichkeit Prüffrequenzen von mehreren Megahertz einzusetzen, wurden ideale Voraussetzungen geschaffen, um schwach elektrisch leitfähige Strukturen wie beispielsweise kohlenstofffaserbasierte Werkstoffe zu prüfen. Diese Materialien sind i.d.R. aus mehreren Schichten unterschiedlicher Faserorientierung aufgebaut, was inhomogene und anisotrope elektrische Leitfähigkeiten zur Folge hat. Die Auslegung und Fertigung von Sensoren zur Bewältigung dieser Herausforderungen sind die Aufgabenbereiche der Arbeitsgruppe Wirbelstromverfahren am Fraunhofer IKTS.
Statt die Dimensionierung der Wirbelstromsensoren aufwendigen und kostenintensiven empirischen Versuchsreihen zu überlassen, werden validierte Simulationsmodelle eingesetzt. Damit findet die Sensorauslegung mithilfe computergesteuerter Parameterstudien schneller, effizienter sowie günstiger statt und kann auf den jeweiligen Anwendungsfall genau angepasst werden.
In diesem Beitrag soll die simulationsgestützte Sensorentwicklung am Beispiel multiaxialer Kohlenstoffgelege vorgestellt werden. Neben der Charakterisierung dieser Strukturen hinsichtlich fehlender Fasern oder Abweichungen in der Faserorientierung sind vor allem die Erkennung von Defekten wie bei der Herstellung abgebrochene Nähnadeln oder eingenähte Ansammlungen loser Fasern Hauptaufgaben der Prüfung.
Der Beitrag stellt sowohl methodisch wie auch exemplarisch einen Ansatz vor, wie mit Simulationen die Anordnung von Sensoren, die Gestaltung von Spulengeometrien, die Auswahl von Prüffrequenzen und weiteren Parametern für multiaxialen Kohlenstofffasergelege erfolgen kann, um die nachzuweisenden Eigenschaften exakt zu lokalisieren und quantitativ zu beschreiben.