Zerstörungsfreie Prüfung von Holz undZerstörungsfreie ... · Zerstörungsfreie Prüfung von Holz...

Zerstörungsfreie Prüfung von Holz undZerstörungsfreie Prüfung von Holz und Holzwerkstoffen

Peter Niemz, ETH Zurich, Institute for Building Materials, Wood Physics Group

niemzp@ethz chniemzp@ethz.ch

ww.ifb.ethz.ch

30.05.2010

Gliederung1. Einleitung2 Grundprinzipien der zerstörungsfreien Prüfung2. Grundprinzipien der zerstörungsfreien Prüfung3. Holzfeuchtemessung4 M h i h Ei h ft4. Mechanische Eigenschaften5. Schallausbreitung, Eigenfrequenz, Schallemission 6. Elektromagnetische Wellen7 Sonstige Methoden7. Sonstige Methoden8. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

30.05.2010 Peter Niemz; Institute for Building Materials, Wood Physics; niemzp@ethz.ch 2

1. Einleitung Zerstörungsfreie Prüfverfahren haben festen Platz zur

Bewertung der Qualität von Holz und Holzprodukten, Tendenz steigendTendenz steigend

Haupteinsatzgebiete: F ti k t ll (F ht Fertigungskontrolle (Feuchtemessung, Schnittholzsortierung nach Festigkeit, Fehlererkennung, Farbmessungen Qualitätskontrolle HolzwerkstoffeFarbmessungen, Qualitätskontrolle Holzwerkstoffe, Sägewerk, Schnittholzverarbeitung)

Zustandsüberwachung von Bäumen verbautem HolzZustandsüberwachung von Bäumen, verbautem Holz, Kulturgut

Forschung (Versagensmechanismen,

Forschung (Versagensmechanismen, Flüssigkeitstransport etc.)

Q äProbleme der Qualitätskontrolle von Holz Gegenseitige Überlagerung der Parameter (Feuchte-

Festigkeit, Äste-Faserverlauf), Multisensortechnik notwendig

Hohe Variabilität der Eigenschaften (Dichte, E-Modul, Festigkeit)Festigkeit)Beispiel Fichte: [Wagenführ, Holzatlas 06]:

-Dichte: 300…640 kg/m3g- MOR: 49…78…136 N/mm2

- MOE: 7300…11000…21400 N/mm2

- Problem bei Beurteilung von verbautem Holz, Bäumen, Kulturgut (Ausgangszustand unbekannt)

Hohe Fertigungsgeschwindigkeiten in Industrie (200-300 / i )

300m/min)

2. Grundprinzipien der ZFP

ZFP Methodenzerstörungsfrei Schallausbreitung Eigenfrequenz

zerstörungsarm Bohrwiderstand PilodynEigenfrequenz

Röntgenstrahlen Synchrotron (x-ray mit hoher

Auflösung)

Pilodyn Zuwachsbohrer Schallemission

g) Neutronen (Teilchenwellen) Deformationsmessung (stress

grading) Mikrowellen Elektrischer Widerstand Optische Systeme

Optische Systeme Spektroskopie

Grundprinzipien (meist: Multisensortechnik)

disturbance(EMC, colour,

i l )grain angle)

Influencing variable a1…an (density,

Dependent variable (estimated quality, e g knots MOE;1 n ( y

grain angle..) e.g. knots, MOE; MOR

combination of different methods: Y = f (a1…an)

Y: mathematical model or estimation from testing person

3. Holzfeuchte

Wichtige Grösse für Qualitätskontrolle Zu hoch → Pilze, Verklebungsprobleme Zu niedrig → Risse, Verklebungsprobleme

Methoden: Elektr Widerstand Elektr. Widerstand Dielektrische Eigenschaften

Mikrowellen Mikrowellen NIR Spektroskopie

D th d (B i th d )

Darrmethode (Basismethode)

Widerstandsmessung (elektrisch) Messung grösserer

ProbenvolumenProbenvolumen

Unterschiedliche Tiefen

(Profile) möglich

Mittlere HolzfeuchteMittlere Holzfeuchte

(Schnittholz, Späne)

NIR Spektroskopie

Test signal Messung an

Oberfläche Comparative signal

Oberfläche

(0.1…0.2mm)

Wellenlänge Test: 1930nm Vergleich:

1700nm

Nur Holzfeuchte an der Oberfläche (0 1mm Eindringtiefe)

Nur Holzfeuchte an der Oberfläche (0,1mm Eindringtiefe)Späne, Fasern, Holzfeuchte an Oberfläche (PUR Verklebung)

4.1 Festigkeitssortierung

Anlage zur Festigkeitssortierung stress gradingkombinierte Methoden (Verformungsmessung, Asterkennung)

Korrelation statischer E-Modul -Biegefestigkeit für Fichte (Normproben); Sonderegger und Niemz

E1 = 30.534+0.0046*E1, R2 = 0.75

5000 10000 15000 20000

Static MOE (E1) in N/mm2

Zusammenhang zwischen zerstörungsfrei messbaren Kennwerten und der Festigkeit von Holz (Denzler 2005)

Schätzwerte der Festigkeit r2

Astigkeit, Jahrringbreite je 0,15 ... 0,35

Dichte 0,20 ... 0,40

Eigenfrequenz, Ultraschallgeschwindigkeit 0,30 ... 0,55

E-Modul statisch 0,40 ... 0,65

Astigkeit+Rohdichte 0,40 ... 0,60

Astigkeit+E-Modul 0,55 ... 0,75

Astigkeit+Rohdichte+E-Modul 0,55 ... 0,80

Astigkeit Rohdichte E Modul 0,55 ... 0,80

Zerstörungsfreie Messung E-Modul

Deformationsmessung

Schallgeschwindigkeit (noch nicht zugelassen) Schallgeschwindigkeit (noch nicht zugelassen)

Eigenfrequenzmessung (eingesetzt)

Fehlererkennung am Holz

Röntgen

Scanner Scanner

Tracheideffekt

30.05.2010 Peter Niemz; Institute for Building Materials, Wood Physics; niemzp@ethz.ch

(Spektroskopie)15

4.2 Eindringtiefe und Härte

Pilodyn (Eindringtiefe)

Eindringtiefe =

f (Dichte, Feuchte..)

genutzt:g Dichtemessung Bäume

(Neuseeland)(Neuseeland)

Schädigung wassergelagertes Holzwassergelagertes Holz, Pfähle

4.3 Bohrwiderstandsmessung (IML; Rinntech®…)Nutzung:

Dichteprofilmessung Dichteprofilmessung

Dendrochronologie

Pilzbefall (Bäume,

verbautes Holz)verbautes Holz) Schädigung muss

gross genug seingross genug sein

Einfluss Pilzart

Bohrwiderstand

Messung

essu g

stehende Bäume

verbautes Holz

5. Wellenausbreitung und Schallemission

Methoden:

Eigenfrequenz

Schallausbreitung

SchallemissionSchallemission

Eigenfrequenzexcitation

sensor

Eigenfrequenz

Biegewellen:

E: MOE [N/mm2] l: length [mm]22

Longitudinalwellen:

l: length [mm]f: frequency [s-1]: density [kg/m3]K1 m : constant (depending on order of

K1, mn: constant (depending on order of oscillation)

i: radius of gyration [mm]

Industrielle Anlage zur Gütesortierung von Holz

Ei f d ti h F hl k (M tEigenfrequenz und optische Fehlererkennung (Martensen, Schweden)

SchallwellenG t t F 300H 50kH 200kH Genutzte Frequenzen: 300Hz…50kHz…200kHz

Genutzt für: E und G-Modul- Messung (Furniersortierung,

Vollholzsortierung)g) Defekte (Bäume, Balken)

Einflussgrössen: Einflussgrössen: Holzfeuchte Dichte Faserwinkel, Jahrringneigung

Frequenz (Wellenlänge)

Ultraschallmessgerät Sylvatest 2

(J. L. Sandoz/CH)

Prinzip der Defekterkennung in einem Baum bei DurchschallungDurchschallung

L1 < L2

V= Weg / Zeit v >v

Ultraschall-Tomographie (PICUS®)

Wave propagation in all (3D) directions (“ball wave”)

Impuls-Echo-Methode (Hasenstab/D)

Risserkennung in BSH mit Longitudinalwellen

(75kHz) und Puls Echo (RC2); rote Linie Riss

Luftgekoppelter Ultraschall

Plattenreisser bei Spanplatten; MDF; Sperrholz Plattenreisser bei Spanplatten; MDF; Sperrholz

(GreCon, EWS)

Arbeiten zu Vollholz/Holzwerkstoffen im Laufen

(Diss. Sanabria, Empa/ETH 2011)

Schallemission (AE)

Riss Welle elektr. Signal g

(gemessen mit Piezoeffekt)

Genutzt für:

Rissortung (auch 3 D)g ( )

Insektenfrass

(Trocknungsrisse)

Risse in Beschichtung bei Beanspruchung

Cumulative energy as a function of time and strain distribution in OSB║strain distribution in OSB║

l l l l S 1 4

Strain distribution

<53s >53sl, l, l, l: Sensor 1- 4En

Load[100NN

Time [s]

Energy increases around 53 seconds after start loading

6. Elektromagnetische WellenMethoden:

Farbe (CI Lab) Farbe (CI-Lab)

Spektroskopie (IR, NIR, FTIR)

x-ray (Röntgen)

Synchrotron Strahlung (high-focused x-ray)

Neutronen (Teilchenwellen) keineNeutronen (Teilchenwellen), keine elektromagnetischen Wellen

Farbe (CIELab), Farbmessgerät (Minolta…)White

Yellow

Green Red

Tracheideffekt zur Asterkennung

Messung richtungsabhängiger Ausbreitung eines Laserstrahls im Holz

(Änderung Faserverlauf durch Äste)

Scanner: Wood Ey (Parkett, Schnittholz)

Deformationsmessung mit Video KameraAuswertung: Kreuzkorrelation (analog Photogrammetrie)

clamps

VIC 2D camera and light sources

Versuchsaufbau

(mechanischer Test)Video extenso-meter

Schwinden einer 3-schichtigen Massivholzplatte

parallel

senkrecht

parallelparallel

NIR Spektroskopie (chemische Zusammensetzung)Zusammensetzung)

Genutzt für:

Mechanische

Eigenschaften

(z B MOE Kontrolle(z.B. MOE, Kontrolle

Holzwerkstoffe)

Chemische

Zusammensetzung

Röntgen (x-ray)

JJJJln NO

JO – absorption

JN – 0-effect

dμJJρ N

J – absorption with tested

material

M th d

material

/ – attenuation coefficient

d thicknessMethoden: X-ray (Auflösung 10μm)

d – thickness

X-ray micro-tomography (Auflösung 2-5μm)

Synchrotron Licht (Auflösung 1μm)

Nutzung:

Messung Rohdichteprofile (Spanplatten, MDF, Vollholz (Dichteverlauf über Jahrringe))

Messung Wasseraufnahme (Schweden)

Asterkennung, Druckholz, Pilzbefall

Synchrotronlicht (Orientierung Mikrofibrillen in S2)

Mobile CT for standing tree analysis (Habermehl)

CT and Photo am stehendem Baum

gelb/weiss

Fäule

Logscanning Logscanning

X-ray Mikrotomographie (OSB)

Neutronen und SynchrotronstrahlungP l S h I tit t Villi / CH (PSI)Paul Scherer Institut Villigen / CH (PSI)

Neutron Radiation source: SINQ

SynchrotronRadiationsource: SwissLight Source(SLS)

Diffusion von Wasserdampf durch eine Holzverklebung (1K PUR) Klima Silicagel/20oC/85%), g ( ) g ),Neutronen

Struktur von Buche (Synchrotron)

Schnitt durch Klebfugen (gemessen mitSynchrotron)Synchrotron)

PUR UF PVA

7. Andere Methoden

Thermographie (Delamination, Äste…) g p ( , )

Elektrische Leitfähigkeit (Fäule, Äste..)

ThermographieTemperaturdifferenz, erzeugt durch Lichtblitz, geringe p , g , g g

Eindringtiefe (lockin Thermographie)

CameraCamera

Sample

Temperaturesource (lamp)

Lockin-Module

Thermographie von Fichte mit Ast (lockin)

Elektrische Widerstandstomographie (kommt aus Geophysik)

Standing tree survey [PICUS®]

g y [ ]

Pilzbefall (Widerstandstomographie)

heart rot sound heart

8. ZusammenfassungV hi d M h d fü b Verschiedene Methoden verfügbar

Physikalische Grundkenntnisse erforderlich zurPhysikalische Grundkenntnisse erforderlich zur Interpretation

Meist Nutzung Kombination mehrerer Verfahren (Multisensortechnik)

Beginn in Praxis mit einfachen, kostengünstigen VerfahrenVerfahren

Grösste Fortschritte in Holzwerkstoffindustrie

Verstärkt Nutzung in holzphysikalischer Forschung

Fertigungskontrolle in der Holzwerkstoffindustrie (GreCon)

Danke für die Aufmerksamkeit

ETH Hönggerberg, Zurich

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