Beschichtung großer mobiler maritimer Konstruktionen mit sprühfähigen Hartschäumen – Teilvorhaben: Nicht-invasives akustisches „Structural Health Monitoringsystem“ für PUR-basierte Beschichtungssysteme

Entwicklung eines nicht‐invasiven akustischen „Structural Health Monitoring ‐Systems“ für PUR‐basierte Beschichtungssystem von Megayachten

Im Projekt „Megayachtschaum“ sollen neuartige Beschichtungssysteme für Schiffsrümpfe entwickelt werden, die die Anforderungen an eine Oberflächenbeschichtung besser erfüllen, als die derzeitigen epoxidharzbasierten Beschichtungssysteme. Das Material soll robuster sein, insbesondere was Materialdefekte wie Rissbildung oder Delamination angeht, und sich automatisiert per Roboter auftragen lassen. Das Projekt ist ein Verbundvorhaben mit insgesamt 7 Partnern aus Industrie und Forschung.
Das Institut für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) wird im Teilvorhaben ein zerstörungsfreies und onlinefähiges Structural Health Monitoring-Systems (SHM) für die ortsaufgelöste Messung von Schäden am Schiffsrumpf entwickeln, das insbesondere an das im Vorhaben entwickelte schaumbasierte PUR-System angepasst ist.
Die Technologie zur Überwachung des Schiffsrumpfes soll auf sogenannten akustischen Oberflächenwellen – einer Sonderform des Ultraschalls – basieren. Die SHM-Sensorik soll dabei zum einen an neuralgische Stellen der Rumpfinnenseite angebracht werden, um nicht-invasiv und im laufenden Betrieb (auf See) die Ablösung der Hartschaumschicht vom Stahl oder das Eindringen von Wasser zu detektieren. Parallel soll im Rahmen des Teilvorhabens untersucht werden, ob mit dem akustischen Verfahren auch eine Erkennung von Haarrissen auf der Lackbeschichtung des äußeren Schiffsrumpfes sowie die Messung der Delamination der PUR-Schaumschicht vom Decklaminat möglich ist. Zudem soll geprüft werden, ob sich das akustische Verfahren auch zur Erkennung von Lufteinschlüssen in der Decklaminatschicht eignet. Ziel ist die Entwicklung eines für die Überwachung großer Teilflächen des Schiffsrumpfs geeigneten Sensorsystems mit ausreichender Ortsauflösung, welches eine quasi-kontinuierliche Zustandsüberwachung von PUR-basierten Beschichtungssystem im Betrieb erlaubt und so zur Qualitätssicherung beiträgt.

One Pager Strukturüberwachung mit Phased Array

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Phased-Array basiertes Structural Health Monitoring zur Delaminationserkennung bei Mehrschichtsystemen

Backer, Alexander; Drese, Klaus Stefan (2025)

tm - Technisches Messen.
DOI: 10.1515/teme-2024-0111

Peer Reviewed

ABSTRACT

Zusammenfassung

Geführte Akustische Wellen (GAW) haben sich im Themengebiet des Structural Health Monitoring (SHM) etabliert. Neben ihren Vorteilen bei der Überwachung von Objekten und Detektion von Fehlstellen, gibt es jedoch auch einige Herausforderungen. Zu diesen zählt die dispersive Natur der häufig eingesetzten Lambwellen. Dispersion führt zu Signalverzerrung und reduziert dadurch die räumliche Auflösung und erschwert die Erkennung von schwach reflektierenden Fehlstellen. In diesem Beitrag wird der Einsatz eines Phased-Array-Systems zur Delaminationserkennung bei einem Mehrschichtsystem demonstriert, bei dem dispersive Lambwellen zum Einsatz kommen. Durch das Kompensieren der Dispersionseffekte kann die Sign Coherence Factor (SCF) Erweiterung des Total Focusing Method (TFM) Algorithmus eingesetzt und so auch schwach reflektierende Fehlstellen erkannt werden. Des Weiteren wird auf das Entstehen von Modenüberlagerungen bei Mehrschichtsystemen eingegangen, die bei der Auswahl der Arbeitsfrequenz und Sendesignallänge des Phased-Array-Systems berücksichtigt werden müssen.

Abstract

Guided Acoustic Waves (GAW) are well established in the field of Structural Health Monitoring (SHM). However, in addition to their advantages in monitoring objects and detecting defects, there are also several challenges. These include the dispersive nature of the commonly used Lamb waves. Dispersion leads to signal distortion that reduces spatial resolution and makes it difficult to detect weakly reflecting defects. This paper demonstrates the use of a phased array system for delamination detection in a multilayer system using dispersive Lamb waves. By compensating for the dispersion effects, the Sign Coherence Factor (SCF) extension of the Total Focusing Method (TFM) algorithm can be used to detect even weakly reflective defects. Furthermore, the occurrence of mode superposition in multilayer systems is discussed, which must be taken into account when selecting the operating frequency and transmit signal length of the phased array system.

On Dispersion Compensation for GAW-Based Structural Health Monitoring

Backer, Alexander; Fairuschin, Viktor; Drese, Klaus Stefan (2023)

Sensors 23 (9), 4282.
DOI: 10.3390/s23094282

Open Access Peer Reviewed

ABSTRACT

Guided acoustic waves (GAW) have proven to be a useful tool for structural health monitoring (SHM). However, the dispersive nature of commonly used Lamb waves compromises the spatial resolution making it difficult to detect small or weakly reflective defects. Here we demonstrate an approach that can compensate for the dispersive effects, allowing advanced algorithms to be used with significantly higher signal-to-noise ratio and spatial resolution. In this paper, the sign coherence factor (SCF) extension of the total focusing method (TFM) algorithm is used. The effectiveness is examined by numerical simulation and experimentally demonstrated by detecting weakly reflective layers with a highly dispersive A0 mode on an aluminum plate, which are not detectable without compensating for the dispersion effects.