Impulskondensatoren für die Thermografie von CFK zur Bestimmung der Aufprallschadentiefe

Impulskondensatoren für die Thermografie von CFK zur Bestimmung der Aufprallschadentiefe

Abstract

Beschädigungen durch Aufprall in CFK liegen unterhalb der Oberfläche und sind mit bloßem Auge nicht zu erkennen. Die gepulste Wirbelstromthermografie erfasst das gesamte Panel gleichzeitig und schätzt die Defekttiefe anhand der Oberflächentemperatur. Die Impulsquelle bestimmt das Ergebnis: 1–10 kW für 100 ms bis 1 s bei flacher Ausrichtung. Dieser Artikel beschreibt die Zusammenhänge zwischen Erwärmung und Diffusion, den Konflikt zwischen Tiefe und Auflösung sowie die Regeln für die Auswahl und Anpassung der Kondensatoren, die einen reproduzierbaren thermischen Kontrast gewährleisten.

1. Einleitung

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) trägt Stoßschäden unter die Oberfläche. Ablösungen, Delaminationen und Porosität entstehen an der Aufprallstelle und verstärken sich unter Belastung. Eine Sichtprüfung erfasst nur die Oberfläche. Ein Klopftest zeigt nur die äußere Schicht an.

Die Ultraschallprüfung lokalisiert Schäden, scannt aber Punkt für Punkt. Die Prüfung eines kompletten Panels dauert Stunden, und das Ergebnis ist eine Karte aus vielen Einzelpunktmessungen. Die gepulste Wirbelstromthermografie (ECPT) hingegen erfasst das gesamte Feld in einem einzigen Durchgang.

Arbeiten am ICT Prag und der Federation University Australia zeigen, was ECPT hier leisten kann. Das Verfahren erhitzt die Oberfläche mit einem Wirbelstromimpuls und misst die Temperatur mit einer Infrarotkamera. Ein Defekt blockiert den Wärmefluss und erscheint als Temperaturkontrast.

Die Impulsquelle bestimmt die Effizienz. Die Batteriebank muss 1–10 kW für 100 ms bis 1 s liefern, und der Kondensator legt fest, wie gleichmäßig dieser Impuls verläuft.

2. Kernmechanismus

2.1 Heiz- und Detektionskette

Durch das Spulenfeld entstehen Wirbelströme in der Oberflächenschicht des CFK. Joulesche Erwärmung erhöht die lokale Temperatur. Die Wärme breitet sich anschließend im Bauteil aus. Eine Delamination, eine Ablösung oder ein Hohlraum unterbricht diesen Diffusionsweg, sodass die Oberfläche über dem Defekt langsamer abkühlt. Die Kamera erfasst diese Differenz.

Die Heizleistung der Last folgt der Widerstandsbeziehung:

P = V² / R.

Dabei ist P die Impulsleistung in W, V die Spannung an der Spule in V und R der Spulenwiderstand in Ω. Eine Spule mit einem Widerstand von 0.05 Ω, die mit 15 V betrieben wird, zieht 300 A und verbraucht 4.5 kW, was innerhalb des zulässigen Bereichs liegt.

2.2 Energie, Impulsbreite und -tiefe

Die Energie eines einzelnen Impulses bestimmt den Temperaturanstieg:

E = P · τ.

Dabei ist E die Pulsenergie in J, P die Pulsleistung in W und τ die Pulsdauer in s. Ein 4.5 kW-Puls von 200 ms Dauer liefert 900 J in die Oberflächenschicht, und diese Energie entscheidet darüber, ob der Defekt sichtbar wird.

Die Eindringtiefe entsteht durch Diffusion, nicht allein durch die Energie. Die Wärme erreicht eine Tiefe, die durch die Impulsbreite bestimmt wird:

z ≈ √(2 · α · τ).

Dabei ist z die Diffusionstiefe in mm, α die Temperaturleitfähigkeit in mm²/s und τ die Impulsdauer in s. Bei einem typischen CFK-Laminat beträgt α etwa 0.5 mm²/s, sodass ein 100 ms langer Impuls 0.3 mm und ein 1 s langer Impuls 1 mm eindringt.

Die Diffusivität selbst ist eine Materialeigenschaft:

α = k / (ρ · c_p).

Dabei ist α die Temperaturleitfähigkeit, k die Wärmeleitfähigkeit in W/(m·K), ρ die Dichte in kg/m³ und c_p die spezifische Wärmekapazität in J/(kg·K). Die Kohlenstofffasern erhöhen k in Faserrichtung und halten es quer zu den Lagen niedrig.

2.3 Abfall während eines langen Pulses

Ein 200 ms langer Impuls entzieht der Ladungsbank Ladung, wodurch die Spannung auf der Schiene absinkt. Der Spannungsabfall folgt:

ΔV = I · Δt / C.

Dabei ist ΔV der Spannungsabfall in Volt, I der Impulsstrom in Ampere, Δt die Impulsbreite in Millisekunden und C die Speicherkapazität in Millifarad. Bei einer Speicherkapazität von 20 Millifarad bewirkt ein 300-A-Impuls von 200 ms einen Spannungsabfall von 3 Volt. Bei einer 15-V-Versorgungsspannung entspricht dies einem Abfall von 20 %, was die Aufheizrate während des Impulses verändert und die Tiefenschätzung verschlechtert.

Die Batteriebank erwärmt sich dabei selbst. Der Verlust im äquivalenten Serienwiderstand folgt I² · R, sodass bei 300 A an 10 mΩ eine Verlustleistung von 900 W entsteht. Parallelgeschaltete Zellen teilen diesen Strom auf und reduzieren den effektiven Serienwiderstand, wodurch die Wärmeabfuhr durch die Halterung beeinträchtigt wird.

2.4 Warum die Faserrichtung das Ergebnis verändert

CFK leitet Strom und Wärme entlang der Fasern besser als quer dazu. Eine einzelne Spulenrichtung führt daher zu einer stärkeren Erwärmung einer Faserrichtung als der anderen. Die Oberfläche zeigt somit ein Temperaturmuster, das vom Faseraufbau und nicht von der Beschädigung herrührt. Mehrkanal-Ausgang mit rotierender Anregungsrichtung trennt diese beiden Aspekte.

Abb. 1 — Ein 200 ms langer Impuls bei 4.5 kW liefert 900 J und dringt 0.45 mm tief in das Laminat ein, während 300 A durch 10 mΩ 900 W dissipieren.

3. Schwachstellen im Engineering

Problempunkt 1: Ungleichmäßige Leistungsdichte über ein anisotropes Panel

Eine bestimmte Anregungsrichtung lässt die Bereiche mit kreuzweiser Faseranordnung kalt. Erhöht ein Bediener die Leistung, um dies zu beheben, überhitzt die Bereiche mit paralleler Faseranordnung und führt zu einer Überbelichtung der Kamera in diesen Bereichen. Das Ergebnis ist ein Wärmebild, das den Faseraufbau zeigt, der Defekt bleibt jedoch verborgen.

Problem 2: Tiefen- und Oberflächenauflösung weichen voneinander ab

Ein langer Wärmeimpuls dringt tiefer in das Gewebe ein und erfasst verborgene Delaminationen. Er ermöglicht jedoch auch eine seitliche Wärmeausbreitung, was den Oberflächenkontrast verwischt. Ein kurzer Impuls schärft das Oberflächenbild, erfasst aber tieferliegende Defekte nicht. Die Impulsbreite muss für jedes Tiefenziel pro Scan individuell gewählt werden.

Problempunkt 3: Erwärmung der Bank bei hoher Scangeschwindigkeit

Bei einem Produktionsscan wird alle paar Sekunden ein Impuls ausgelöst. Im Dielektrikum staut sich Wärme, die Kapazität driftet, und die Impulsenergie nimmt während der Verschiebung ab. Ein Bauteil mit einem hohen Temperaturkoeffizienten liefert daher am Ende einer Verschiebung ein anderes Ergebnis als zu Beginn.

Problempunkt 4: Blitzlampen im Vergleich zu elektrischer Heizung

Blitzlampen erwärmen lediglich die Oberfläche und benötigen eine hohe optische Energie. Elektrische Heizsysteme leiten Strom in das Bauteil und deponieren Energie an den Defektstellen. Für die elektrische Heizmethode wird eine Kondensatorbank mit niedrigem ESR- und ESL-Wert benötigt; eine optische Quelle ist nicht erforderlich.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Dimensionierung der Bank anhand von Energie und Fallout

Ermitteln Sie die Energie pro Impuls mit E = P · τ und teilen Sie diese durch die Versorgungsspannung, um die Kapazität zu erhalten. Überprüfen Sie den Spannungsabfall im Hinblick auf die benötigte Genauigkeit. Ein Impulsabfall von 20 % führt zu ungleichmäßiger Erwärmung des Werkstücks und verschlechtert die Tiefenmessung.

Strategie 2: Parallelisierung der Zellen

Teilen Sie die Bank in parallele HVCT8G Die Zellen werden so angeordnet, dass sich die 300 A auf mehrere Teile aufteilen. Parallel angeordnete Zellen reduzieren den ESR-Wert und verteilen die Wärme, wodurch jedes Dielektrikum während eines langen Scans unterhalb seiner Nenntemperatur bleibt.

Strategie 3: Kanäle auf ±1 % genau abstimmen

Mehrkanal-Ausgabe funktioniert nur, wenn die Kanäle übereinstimmen. Filtern Sie jeden Kanal auf ±1 %, damit jede Faserrichtung die gleiche Energie erhält. N4700 Dielektrikum der Klasse I mit TCC ±30 ppm/°C, und die Kanalbalance bleibt auch in einem warmen Schrank erhalten.

Strategie 4: Die Schleifeninduktivität gering halten

Mit einer laminierten Stromschiene, kurzen Zuleitungen und einem symmetrischen Layout lässt sich der ESL-Wert unter 20 nH halten. Folienkondensator Eine Bank mit der gleichen Kapazität liegt zwei Größenordnungen höher im ESL, was den Stromanstieg verlängert und Energie aus dem nutzbaren Bereich verschiebt.

Strategie 5: Wärmemanagement und Überprüfung anhand eines Referenzfehlers

Installieren Sie einen Temperatursensor an der Bank und begrenzen Sie den Tastgrad auf den Punkt, an dem die Dielektrizitätskonstante unter 80 % ihrer Nennspannung bleibt. HVR-BSP Dickschichtwiderstände zur Strombegrenzung im Entladekreis und ein schnelle Hochspannungsdiode Um einen Rückstrom zwischen den Impulsen zu verhindern, überprüfen Sie die Tiefe anhand eines Lochs mit flachem Boden bekannter Tiefe, bevor der Scan in die Produktion geht.

Strategie 6: Den vom Modell angenommenen Impuls liefern

Ordnen Sie die Spule dem Modell zu, das die Impulsparameter erzeugt hat. Überprüfen Sie Kapazität, ESR und Impulsbreite am Prüfstand mit der montierten Produktionsspule bei Betriebstemperatur und mit derselben Stromsonde, die auch im Modell verwendet wurde.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC-Kondensatoren für CFRP-Thermografie-Bänke

Zwei Eigenschaften bestimmen hier das Wärmebild: die Verluste der Solarzelle bei 300 A und die gleichmäßige Stromverteilung auf die parallel geschalteten Zellen. HVC fertigt in einem 6,000 m² großen Werk in Dongguan Bauteile der Klasse I nach N4700 für beide Anwendungsbereiche im Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Der ESR-Wert liegt bei 100 kHz unter 10 mΩ. Eine 300-A-Impulsfolge bleibt pro Impuls im Millijoule-Bereich, sodass die Energiebank ihre Energie vom ersten bis zum letzten Frame beibehält.
• ESL unter 20 nH. Der Stromanstieg bleibt kurz, sodass der Heizimpuls das Spektrum im angenommenen thermischen Modell beibehält.
• ±1 % übereinstimmende Zellen. Parallele und Mehrkanal-Faserbänke teilen den Strom gleichmäßig auf, und jede Faserrichtung erhält die gleiche Energiedichte.
• TCC ±30 ppm/°C. Die Pulsenergie bleibt über einen langen Scan hinweg konstant, sodass die thermische Basislinie zwischen Beginn und Ende einer Schicht nicht driftet.
• Teilentladungen unter 5 pC. Wiederholte Impulse beeinträchtigen das Dielektrikum nicht, sodass die Batteriebank ihre Energie pro Impuls über 10⁶ Schüsse behält.
• Koordinierte Komponenten. HVRGXP-Abtastwiderstände im aktuellen Sinne und HVR-BSP Dickschichtbauteile für den Entladekreis können zusammen mit der Batteriebank bestellt werden.

Die HVC-Teile entsprechen den elektrischen Parametern und Zuverlässigkeitsdaten von Vishay HVCC-, KEMET-Radialleiter-, Murata-DHS/DHR- und TDK-UHV/FHV-Bauteile werden in der Serienproduktion für Fortune-500-OEMs im Bereich Bildgebung und Inspektion eingesetzt.

Lieferung und Support

Standardteile der Klasse I werden innerhalb von 4–8 Wochen, kundenspezifische Ausführungen innerhalb von 6–10 Wochen geliefert. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt Sie bei der Dimensionierung von Energieverbrauch und Spannungsabfall, der Anpassung paralleler Zellen und der thermischen Überprüfung der Bankmontage.

Senden Sie die Schienenspannung, die Pulsbreite, den Strom pro Kanal und die Abtastrate. HVC liefert Ihnen innerhalb von fünf Werktagen einen Bankvorschlag mit Teilenummern, ESR-Daten bei der Pulsfrequenz und einem passenden Mustersatz.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Wie viel Energie benötigt ein einziger Thermografieimpuls für CFK?

Ausreichend, um die Oberfläche über das Rauschen der Kamera anzuheben und die Zieltiefe zu erreichen. Ein 4.5-kW-Impuls von 200 ms liefert 900 J, was für einen typischen Scan von Aufprallschäden ausreicht. Tiefere Defekte erfordern einen längeren Impuls; zusätzliche Leistung erhöht die Tiefe nicht, da diese durch Diffusion festgelegt wird.

Frage 2: Wie wähle ich die Impulsbreite?

Vom Tiefenziel bis z ≈ √(2 · α · τ). Die Diffusionskonstante in Dickenrichtung von CFK liegt bei etwa 0.5 mm²/s, sodass 100 ms etwa 0.3 mm und 1 s etwa 1 mm entsprechen. Wählen Sie die Breite für ein Tiefenziel pro Scan und achten Sie auf Reproduzierbarkeit.

Frage 3: Warum benötigt die Bank einen niedrigen ESR-Wert bei 300 A?

Da die Verluste quadratisch mit dem Strom skalieren, verbraucht eine 10-mΩ-Zellenbank bei 300 A 900 W. Die dabei entstehende Wärme erhöht die Kapazität und reduziert die Impulsenergie. Parallelgeschaltete Zellen teilen den Strom auf, sodass sich eine Gruppe von vier Zellen mit je 40 mΩ wie eine 10-mΩ-Zellenbank mit nur einem Viertel der Verluste pro Zelle verhält.

Frage 4: Spielt ESL eine Rolle, wenn der Impuls 200 ms dauert?

Es kommt auf den Rand an, nicht auf die flache Oberseite. Der Stromanstieg erfolgt in Mikrosekunden, und die Schleifeninduktivität bestimmt seine Geschwindigkeit. Eine hohe ESL verlängert den Anstieg, verschiebt das Spektrum nach unten und reduziert die oberflächennahe Erwärmung, die den Oberflächenkontrast erzeugt.

Frage 5: Kann ein Blitzlampensystem die Impulslampenbank ersetzen?

Bei dünnen Platten ja. Eine Blitzlampe erhitzt nur die Oberfläche, findet daher oberflächennahe Ablösungen und übersieht tieferliegende Delaminationen. Elektrische Heizung treibt Strom in das Laminat und deponiert Energie näher an den Defekten. Aus diesem Grund wird die Impulsbank bei Stoßschäden eingesetzt.

Frage 6: Welche Wiederholgenauigkeit von Puls zu Puls kann ich erwarten?

Bei einer Speicherkapazität von ±1 % und einer Temperaturkoeffizientenänderung (TCC) von ±30 ppm/°C liegt die Abweichung innerhalb von 2 % der gespeicherten Energie. Ohne diese Werte äußert sich die Drift in einer sich verschiebenden thermischen Basislinie, und der Bediener kann einen tatsächlichen Defekt nicht von einer Verstärkungsänderung des Impulses unterscheiden.

7. Referenzen

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