Schallgestützte Messung von Mikroschädigungen in faserverstärkten Druckgasbehältern.
Quelle: BAM
Die Studie untersucht zwei Typ IV-Druckbehälter aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), die bis zum Bersten hydraulisch belastet wurden. Ziel ist es, mithilfe von Schallemissionen (SE) – einer zerstörungsfreien Prüfmethode, die mikroskopischen Materialschäden detektiert – den Schadensfortschritt zu analysieren und kritische Versagensmechanismen wie Faserbrüche zu identifizieren. Die Behälter wurden unterschiedlich hergestellt und versagen daher in unterschiedlichen Faserschichtorientierungen (Umfangs und Helixlagen). Erfasst wurden über 200.000 SE Ereignisse während schrittweiser Druckanstiege. Die Auswertung umfasst Frequenzmerkmale, Amplituden, Clusteranalysen sowie die Felicity und Shelby Raten, die Auskunft über die Belastungshistorie und die Empfindlichkeit eines Materials gegenüber wiederholter Beanspruchung geben. Obwohl frühere Studien nahelegen, dass Faserbrüche durch hohe Frequenzen (typisch 300–600 kHz) gekennzeichnet sind, zeigen die Messungen hier ein komplexes Bild: Hochfrequente Signale treten zwar tendenziell bei hohen Lasten auf, lassen sich aber nicht eindeutig und konsistent einzelnen Schadensarten zuordnen. Gründe sind unter anderem Überlagerung verschiedener Schadensmechanismen, frequenzabhängige Dämpfung, Unterschiede in der Sensorankopplung sowie die komplexe Laminatstruktur. Klar ersichtlich ist jedoch eine deutliche Lokalisation der SE Aktivität unmittelbar vor dem Bersten im Bereich der späteren Rissfläche – ein zuverlässiger Indikator für bevorstehendes Versagen.
Insgesamt zeigt die Studie: Eine robuste Identifikation einzelner Versagensmechanismen, insbesondere von Faserbrüchen, allein auf Basis der SE Frequenzsignaturen gelingt bei realen Druckbehältern nicht zuverlässig. Die zuverlässigste Information liefert die räumlich zeitliche Häufung der SE Ereignisse kurz vor dem Versagen.
Monitoring Failure of Composite Pressure Vessels with Acoustic Emissions
Emanuel D. Kästle, Eric Duffner, Bartosz Popiela, Ali Ghaznavi
Journal of Nondestructive Evaluation, 2025