Verfahrens- und Systemtechnik Holzwerkstoffe

Forschungsschwerpunkt

Messtechnik

Wir entwickeln und realisieren Messverfahren für die Prozess- und Qualitätskontrolle in der holzverarbeitenden Industrie. Besondere Bedeutung haben dabei zerstörungsfreie Prüfverfahren wie Infrarot-Thermographie, Bildverarbeitungsverfahren und optische Messtechniken. Die entwickelten Messverfahren sind nicht auf Holz oder Holzwerkstoffe beschränkt. Sie eignen sich für alle Industriezweige, in denen Verbundwerkstoffe und Schüttgüter hergestellt und verarbeitet werden.

© Foto Fraunhofer WKI | Peter Meinlschmidt

Thermographie an Rotorblättern von Windkraftanlagen

Die Wärmefluss-Thermographie ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren und basiert auf der Tatsache, dass alle Objekte für die jeweilige Oberflächentemperatur charakteristische infrarote Strahlung abgeben. Sie kann durch spezielle Kameras erfasst und als Bild der Oberflächentemperatur dargestellt werden.

Bei ihrer wichtigsten Variante wird das Untersuchungsobjekt einem Wärmeimpuls ausgesetzt (aktive Thermographie). Die Diffusionsgeschwindigkeit der so entstehenden, in das Objekt eindringenden Wärmefront hängt von der Wärmeleitfähigkeit, der spezifischen Wärmekapazität und der Dichte des Materials unterhalb der Oberfläche ab. So bilden sich Muster in der Oberflächentemperatur, die Rückschlüsse über den Zustand des Messobjekts unterhalb der Oberfläche zulassen.

So können unterhalb der Oberfläche liegende und äußerlich nicht sichtbare Fehlstellen erkannt werden. Das Verfahren ist bildgebend, schnell und relativ einfach automatisierbar. Einsatzgebiete liegen vor allem bei der Erkennung von Haftungs- und Verklebungsfehlern, Delaminationen, Blasen und Lunkern, aber auch in der Erkennung von Fremdkörpern zum Beispiel in Lebensmitteln.

Ein Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf dem Einsatz der Wärmefluss-Thermographie für die zerstörungsfreie Prüfung der Rotorblätter von Windenergieanlagen. Die Rotorblätter sind im laufenden Betrieb extremen Belastungen ausgesetzt. Um einen Bruch des Rotorblatts zu vermeiden, muss es vor dem Einbau bzw. im späteren Betrieb regelmäßig inspiziert werden. Mit Hilfe der Wärmefluss-Thermographie finden wir Produktions- und Konstruktionsfehler wie Risse, Fehlverklebungen oder Lufteinschlüsse sowie Schäden durch Verschleiß und Materialermüdung – und zwar innerhalb von wenigen Minuten pro Quadratmeter Fläche. Die Wärmefluss-Thermographie ist in den meisten Fällen zuverlässiger und dadurch wirtschaftlicher als herkömmliche Verfahren wie die Sichtprüfung oder die Perkussionsmethode.

Sollen aus Holzpartikeln (Fasern, Späne, Strands) Plattenwerkstoffe hergestellt werden, so muss man ihre Größe kennen und die Häufigkeitsverteilung von Größenparametern wie Länge und Breite darstellen und charakterisieren. In der Produktion sind solche Kennwerte aber schwer und per Siebanalyse oft gar nicht zugänglich. Mit auf das jeweilige Material zugeschnittenen Bildverarbeitungsverfahren sind heute bereits automatisierbare Labor- und Online-Messungen möglich: So können beispielsweise holzartenspezifische Spanformen unterschieden und Partikelgrößen und –formen auch an Refinerfasern, an verpressten Deckschichtspänen oder an Strands im Vlies bestimmt werden.

Die Nahinfrarot-Spektroskopie ist eine etablierte Messtechnik. Zusätzliche Erkenntnisse über die räumliche Verteilung von Feuchte oder Fremdstoffen im Vlies oder Klebstoff auf Holzpartikeln gewinnt man, wenn die Technik nicht nur mit einem einfachen Sensor, sondern mit einer Nahinfrarot-Kamera und nachfolgender multivariater Datenanalyse eingesetzt wird. Diese Technik kann beim Recycling von Altholz zur (Aus-)Sortierung von mit organischen Holzschutzmitteln oder PVC belasteten Oberflächen dienen.

Mit Lasertriangulation kann man Abstände vermessen. Mit einer Anordnung aus Linienlaser und Flächenkamera erfasst man darüber hinaus an bewegten Oberflächen eine 3D-Topografie und kann so die wichtigen Eigenschaften wie Welligkeit, Porengrößen und Rauheit beurteilen.

Mit dem Transient-Hot-Bridge(THB)-Verfahren kann die Wärmeleitfähigkeit auch an sehr kleinen Proben innerhalb weniger Minuten gemessen werden. Dieses Verfahren eignet sich sowohl für die Bestimmung der Wärmeabführung von wärmeleitenden Ölen als auch zur Überprüfung der in Gebäuden verwendeten Wärmedämmmaterialien.