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Zerstörungsfreie Prüfung von Holz undZerstörungsfreie Prüfung von Holz und Holzwerkstoffen
Peter Niemz, ETH Zurich, Institute for Building Materials, Wood Physics Group
niemzp@ethz [email protected]
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
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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,
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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 )
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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
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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
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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 )
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Darrmethode (Basismethode)
Widerstandsmessung (elektrisch) Messung grösserer
ProbenvolumenProbenvolumen
Unterschiedliche Tiefen
(Profile) möglich
Mittlere HolzfeuchteMittlere Holzfeuchte
(Schnittholz, Späne)
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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)
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Nur Holzfeuchte an der Oberfläche (0,1mm Eindringtiefe)Späne, Fasern, Holzfeuchte an Oberfläche (PUR Verklebung)
4.1 Festigkeitssortierung
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Anlage zur Festigkeitssortierung stress gradingkombinierte Methoden (Verformungsmessung, Asterkennung)
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Korrelation statischer E-Modul -Biegefestigkeit für Fichte (Normproben); Sonderegger und Niemz
150
110
130
90
110
R in
N/m
m2
50
70
MO
E1 = 30.534+0.0046*E1, R2 = 0.75
30
50
5000 10000 15000 20000
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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
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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
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(Spektroskopie)15
4.2 Eindringtiefe und Härte
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Pilodyn (Eindringtiefe)
Eindringtiefe =
f (Dichte, Feuchte..)
genutzt:g Dichtemessung Bäume
(Neuseeland)(Neuseeland)
Schädigung wassergelagertes Holzwassergelagertes Holz, Pfähle
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4.3 Bohrwiderstandsmessung (IML; Rinntech®…)Nutzung:
Dichteprofilmessung Dichteprofilmessung
Dendrochronologie
Pilzbefall (Bäume,
verbautes Holz)verbautes Holz) Schädigung muss
gross genug seingross genug sein
Einfluss Pilzart
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Bohrwiderstand
decay
d
Messung
sound
essu g
stehende Bäume
verbautes Holz
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5. Wellenausbreitung und Schallemission
Methoden:
Eigenfrequenz
Schallausbreitung
SchallemissionSchallemission
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Eigenfrequenzexcitation
sensor
sensor
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Eigenfrequenz
Biegewellen:
912
2
24
242
1014
Kli
imfl
ndyn
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
2
22
dyn4E
nfl
K1, mn: constant (depending on order of oscillation)
i: radius of gyration [mm]
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Industrielle Anlage zur Gütesortierung von Holz
Ei f d ti h F hl k (M tEigenfrequenz und optische Fehlererkennung (Martensen, Schweden)
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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
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Frequenz (Wellenlänge)
Ultraschallmessgerät Sylvatest 2
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(J. L. Sandoz/CH)
Prinzip der Defekterkennung in einem Baum bei DurchschallungDurchschallung
V1 V2
L1 < L2
V= Weg / Zeit v >v
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v1>v2
Ultraschall-Tomographie (PICUS®)
Wave propagation in all (3D) directions (“ball wave”)
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Impuls-Echo-Methode (Hasenstab/D)
Risserkennung in BSH mit Longitudinalwellen
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(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)
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Schallemission (AE)
Riss Welle elektr. Signal g
(gemessen mit Piezoeffekt)
Genutzt für:
Rissortung (auch 3 D)g ( )
Insektenfrass
(Trocknungsrisse)
Risse in Beschichtung bei Beanspruchung
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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
ergy
[eu]
Load[100NN
]
Time [s]
Energy increases around 53 seconds after start loading
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gy g
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
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Farbe (CIELab), Farbmessgerät (Minolta…)White
L
Yellow
Green Red
Blue
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Black
Tracheideffekt zur Asterkennung
Messung richtungsabhängiger Ausbreitung eines Laserstrahls im Holz
(Änderung Faserverlauf durch Äste)
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Scanner: Wood Ey (Parkett, Schnittholz)
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Deformationsmessung mit Video KameraAuswertung: Kreuzkorrelation (analog Photogrammetrie)
clamps
VIC 2D camera and light sources
Versuchsaufbau
(mechanischer Test)Video extenso-meter
( )
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Schwinden einer 3-schichtigen Massivholzplatte
parallel
senkrecht
parallelparallel
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NIR Spektroskopie (chemische Zusammensetzung)Zusammensetzung)
Genutzt für:
Mechanische
Eigenschaften
(z B MOE Kontrolle(z.B. MOE, Kontrolle
Holzwerkstoffe)
Chemische
Zusammensetzung
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g
Röntgen (x-ray)
JJJJln NO
JO – absorption
JN – 0-effect
dμJJρ N
N
J – absorption with tested
material
M th d
ρ
material
/ – attenuation coefficient
d thicknessMethoden: X-ray (Auflösung 10μm)
d – thickness
X-ray micro-tomography (Auflösung 2-5μm)
Synchrotron Licht (Auflösung 1μm)
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Nutzung:
Messung Rohdichteprofile (Spanplatten, MDF, Vollholz (Dichteverlauf über Jahrringe))
Messung Wasseraufnahme (Schweden)
Asterkennung, Druckholz, Pilzbefall
Synchrotronlicht (Orientierung Mikrofibrillen in S2)
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Mobile CT for standing tree analysis (Habermehl)
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CT and Photo am stehendem Baum
gelb/weiss
Fäule
Logscanning Logscanning
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X-ray Mikrotomographie (OSB)
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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)
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(SLS)
Diffusion von Wasserdampf durch eine Holzverklebung (1K PUR) Klima Silicagel/20oC/85%), g ( ) g ),Neutronen
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Struktur von Buche (Synchrotron)
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Schnitt durch Klebfugen (gemessen mitSynchrotron)Synchrotron)
PUR UF PVA
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7. Andere Methoden
Thermographie (Delamination, Äste…) g p ( , )
Elektrische Leitfähigkeit (Fäule, Äste..)
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ThermographieTemperaturdifferenz, erzeugt durch Lichtblitz, geringe p , g , g g
Eindringtiefe (lockin Thermographie)
CameraCamera
Sample
Temperaturesource (lamp)
Lockin-Module
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Thermographie von Fichte mit Ast (lockin)
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Elektrische Widerstandstomographie (kommt aus Geophysik)
Standing tree survey [PICUS®]
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g y [ ]
Pilzbefall (Widerstandstomographie)
heart rot sound heart
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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
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Verstärkt Nutzung in holzphysikalischer Forschung
Fertigungskontrolle in der Holzwerkstoffindustrie (GreCon)
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Danke für die Aufmerksamkeit
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ETH Hönggerberg, Zurich