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Organisationseinheit der BAM
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Vor allem in der Automobilindustrie wird das Widerstandpunktschweißen im großen Unfang zur Verbindung von Blechen im Karosseriebau verwendet. Durch den anhaltenden Trend zum Leichtbau und den immer höheren Anforderungen an die passive Sicherheit kommt es hier zu einem verstärkten Einsatz innovativer hochfester Stähle. Obwohl es sich beim Punktschweißen um ein lange erprobtes Verfahren handelt, das sich anhand der Prozessparameter und regelmäßiger zerstörender Prüfung überwachen lässt, ist durch diese Entwicklung die Suche nach geeigneten zerstörungsfreien Prüfverfahren wieder aktuell. Wegen der hohen Produktionsgeschwindigkeiten in der automatisierten Fertigung muss sich das Prüfverfahren für eine hundertprozentige Prüfung vollautomatisch mit der typischen Taktrate von etwa einem Hertz durchführen lassen.
In dieser Arbeit wird zuerst die prinzipielle Durchführbarkeit der thermografischen Prüfung von Punktschweißverbindungen an speziell präparierten Proben überprüft. Auf dieser Grundlage wird eine Serienuntersuchung an 75 Proben, die sich auf drei Gruppen von Schweißparametern aufteilen und neben optimal geschweißten Proben typische Fehlerbilder repräsentieren, eine Serienuntersuchung gezeigt. Hierzu wird eine Blitzlichtanregung in Transmissionsanordnung verwendet.
Es kann gezeigt werden, dass sich mit einer geeigneten Datenaufbereitung die einzelnen Gruppen sicher trennen lassen. Durch eine statistische Bewertung der Ergebnisse kann unter Verwendung eines angepassten Gütekriteriums die Trennschärfe noch deutlich erhöht werden.
Fallbeispiele für die Anwendung der 3D-Messtechnik und der aktiven Thermografie in der Denkmalpflege
(2010)
In vielen Bereichen der Technik haben Konstruktionen unter Einsatz von CFK-Bauteilen und Komponenten die klassischen Metalle abgelöst. Die zerstörungsfreie Prüfung solcher CFK-Bauteile gewinnt somit zunehmend an Bedeutung. Ein mögliches Prüfverfahren ist dabei die Wirbelstromprüfung. Aufgrund der relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit von CFK-Komponenten kommt hierbei häufig die sogenannte HF-Wirbelstromprüfung zum Einsatz.
In verschiedenen Untersuchungen der BAM konnten jedoch auch mit Wirbelstromprüfsystemen in niedrigen Frequenzbereichen gute Ergebnisse erzielt werden. Um die Möglichkeiten und Grenzen dieser konventionellen Wirbelstromprüfung auszuloten, wurden Messungen an Versuchskörpern durchgeführt, welche bereits bei der Validierung der Blitz- und Lock-in-Thermografie für neue Verfahrensnormen erfolgreich eingesetzt wurden. Ein Typ dieser Versuchskörper sind Flachproben aus CFK von 6 mm Dicke. In diesen wurden Flachbodenbohrungen mit Durchmessern zwischen 4 mm und 24 mm eingebracht. Die Restwandstärken liegen zwischen 0,06 mm und 3,66 mm. Ein weiterer CFK-Versuchskörper hat die Geometrie eines Stufenkeiles. Bei verschiedenen Stufenkeilen sind Wanddicken zwischen 1,4 mm und 5,4 mm realisiert worden. In diesen wurden künstliche quadratische Delaminationen mit Kantenlängen zwischen 2 mm und 20 mm eingebracht. Die Ergebnisse der Wirbelstromprüfung werden denen der aktiven Thermografie gegenübergestellt.
Zur Nachbildung von Kompositwerkstoffen wurden die flachen Versuchskörper mit geeigneten Versuchskörpern aus Aluminium und Stahl kombiniert. Die Wirbelstromprüfungen wurden mit einem handelsüblichen Prüfgerät im Frequenzbereich zwischen 500 Hz und 3 MHz und entsprechend angepassten Sensoren durchgeführt.
Flash thermography is a fast and reliable non-destructive testing method for the investigation of defects in carbon fiber reinforced polymer (CFRP) materials. In this paper numerical simulations of transient thermography data are presented, calculated for a quasi-isotropic flat bottom hole sample. They are compared to experimental data. These simulations are one important step towards the quantitative reconstruction of a flaw by assessing thermographic data. The applied numerical model is based on the finite-element method, extended by a semi-analytical treatment of the boundary of the sample, which is heated by the flash light. A crucial part for a reliable numerical model is the prior determination of the material parameters of the specimen as well as of the experimental parameters of the set-up. The material parameters in plane and in depth diffusivity are measured using laser line excitation. In addition, the absorption and heat transfer process of the first layers is investigated using an IR microscopic lens. The performance of the two distinct components of CFRP during heating – epoxy resin and carbon fibers – is examined. Finally, the material parameters are optimized by variation and comparison of the simulation results to the experimental data. The optimized parameters are compared to the measured ones and further methods to ensure precise material parameter measurements are discussed.
Untersuchung der Auflösungsgrenzen der Lockin-Thermografie zur Prüfung von Faserverbundwerkstoffen
(2014)
Aktive Thermografie mit Lockin-Anregung stellt ein berührungsfreies und zerstörungsfreies Prüfverfahren dar, welches insbesondere auch die Prüfung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen ermöglicht. Um eine Standardisierung dieses Verfahrens voranzubringen, wurden im Rahmen eines Forschungsprojektes umfangreiche Untersuchungen zur Validierung des Verfahrens durchgeführt.
Dabei wurden unter anderem der Einfluss der spektralen Empfindlichkeit verschiedener Kamerasysteme, unterschiedlicher Lagenaufbauten bei CFK-Probekörpern und der Einfluss einer Phasenverschiebung zwischen dem Anregungssignal und der Detektion der Thermografiebilder untersucht.
Die aktive Thermografie wird in der Industrie zunehmend in verschiedenen Bereichen zur Qualitätssicherung, Zustandsdiagnose und Zustandsüberwachung eingesetzt. Bestehende Normen zur Thermografie beschreiben die Grundlagen, Geräte und Begriffe. In diesem Beitrag wird über ein Projekt berichtet, dessen Ziel die Erarbeitung einer Prüfnorm zur Blitzthermografie ist. Diese sollte neben der Auswahl geeigneter Gerätekomponenten, der Auswertungsverfahren und der Vorgehensweise bei der Prüfung auch die Beschreibung geeigneter Referenzprobekörper enthalten, die eine Bewertung der Messapparatur und eine Qualitätssicherung der Prüfung ermöglichen.
Da die Thermografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren noch vergleichsweise neu in der Anwendung ist, beziehen sich die aktuell veröffentlichten und überarbeiteten Normen und Richtlinien im Wesentlichen auf die grundlegenden Prinzipien des Verfahrens und die verschiedenen Anregungs- und Auswertungstechniken, auf die Begriffe und auf die Gerätetechnik.
Die grundlegenden Normen zum Prinzip des Prüfverfahrens, zu den Geräten und zu den Begriffen wurden in 2016 grundlegend überarbeitet und als CEN-Normen neu veröffentlicht. Im Anschluss dazu wird in 2017 der überarbeitete Normentwurf zur aktiven Thermografie veröffentlicht. Mit der Bearbeitung einer europäischen Norm zur Laserthermografie wurde begonnen.
Auf nationaler Ebene werden zur Zeit Normen zu den verschiedenen Anregungstechniken erarbeitet. Anfang 2017 wurde der Normentwurf zur Impuls-Thermografie mit optischer Anregung veröffentlicht. Geplant sind weiterhin Entwurfsveröffentlichungen zur induktiv angeregten Thermografie sowie zur Lock-in-Thermografie mit optischer Anregung. Parallel dazu wurde die Überarbeitung der Norm zur Thermografischen Prüfung elektrischer Anlagen publiziert.
Mit der Richtlinie VDI/VDE 3511 Blatt 4 bis 4.4 gibt es ein anerkanntes Regelwerk für die rückführbare Temperaturmessung und Kalibrierung von Strahlungsthermometern, die bisher für Thermografiekameras fehlte. In 2016 wurde daher die VDI/VDE Richtlinie 5585 Blatt 1 zur messtechnischen Charakterisierung von Thermografiekameras als Entwurf veröffentlicht. In Bearbeitung ist momentan Blatt 2 zur Kalibrierung von Thermografiekameras mit dem Ziel, auch für Thermografiekameras anerkannte Regeln zur rückführbaren Temperaturmessung zu erstellen.
Im Beitrag werden die Anwendungsbereiche dieser Normen und Richtlinien vorgestellt und neue zukünftige Anwendungsbereiche in der Fertigung und Instandhaltung diskutiert.
In diesem Beitrag werden die Möglichkeiten der Ortung von Fehlstellen in Cu Lötverbindungen unterhalb verschiedener Cu Blechdicken mit aktiver Thermografie demonstriert. Dabei wurden die Anregung mit Blitzlicht und die periodische Anregung mit der Lock-In Technik miteinander verglichen. Die Vor- und Nachteile der Anwendung unterschiedlicher IR-Kamerasysteme, einer gekühlten InSb-Quantendetektor IR-Kamera und einer Mikrobolometer IR-Kamera, werden dargestellt. Als objektives Kriterium wurde das SNR für unterschiedliche Fehlstellengrößen herangezogen.
Die Bewertung des Zustandes und der Haftung von Putz und Fassadenelementen auf den darunterliegenden Bauwerksstrukturen ist eine häufig auftretende Fragestellung bei der Erhaltung und Instandsetzung von Bauwerken und Baudenkmälern. Hier müssen nicht nur wirtschaftliche und denkmalpflegerische, sondern auch sicherheitsrelevante Aspekte berücksichtigt werden. Fehlstellen und Ablösungen können, auch wiederholend, mit hoher Nachweisempfindlichkeit mit aktiven Thermografieverfahren geortet und unter bestimmten Voraussetzungen quantitativ bewertet werden. Dazu wird der zu untersuchende Bereich zunächst kurzzeitig (mehrere Minuten lang) erwärmt und anschließend die Abkühlung mit einer Infrarotkamera aufgezeichnet. Systematische Untersuchungen an Probekörpern mit einer Vielzahl unterschiedlicher Fehlstellen unterhalb von Kalkputz, Fliesen und Klinkerriemchen zeigen, dass die Fehlstellen sowohl mittels künstlicher Erwärmung durch einen Infrarotstrahler als auch mittels natürlicher Erwärmung durch die Sonne detektiert und charakterisiert werden können. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
The evaluation of condition and adhesion of plaster and façade elements to the underlying building structure is a common issue in the maintenance and repair of buildings and monuments. Here not only economic and preservation, but also safety relevant aspects have to be considered. Voids and delaminations can be detected repeatedly with high sensitivity using active thermography methods. Under certain conditions, also a quantitative evaluation is possible. The area under investigation has to be heated up for a short time (up to several minutes). Subsequently, the cooling down is recorded using an infrared camera. Systematic studies on test specimens with a variety of defects below lime plaster, tiles and brick tiles show that the defects can be detected and even characterized both by means of artificial heating using an infrared heater, as well as by natural solar heating.
Im Beitrag werden Verfahren und Strategien basierend auf optischen und thermografischen Methoden zur Lokalisierung, Erfassung und Bewertung von Putzablösungen und Ablösungen von Fassadenelementen vorgestellt. Abgelöste Fassadenbereiche zeigen dabei sowohl geometrische als auch thermische Auffälligkeiten, die im Rahmen eines Monitoring auch über größere Zeiträume verfolgt werden können. Als optische Verfahren werden die Stereophotogrammetrie und die trackingbasierte taktile 3D-Erfassung von Oberflächenmerkmalen eingesetzt. Zur Charakterisierung verdeckter Ablösungen und Bauteile wird die aktive Thermografie mit natürlicher und künstlicher Erwärmung der Bauteiloberfläche verwendet. Systematische Untersuchungen an Probekörpern und Fallstudien (Magdeburger Dom, Wandbild in Cobbelsdorf) zeigen, wie u. a. mit der Verfahrenskombination Ablösungen und Materialinhomogenitäten unterschieden werden können.
In diesem Beitrag werden Verfahren und Strategien basierend auf optischen und thermografischen Methoden zur Lokalisierung, Erfassung und Bewertung von Putzablösungen, Ablösungen von Fassadenelementen und Rissen vorgestellt. Abgelöste Fassadenbereiche und Risse zeigen dabei sowohl geometrische als auch thermische Auffälligkeiten, die im Rahmen eines Monitoring auch über größere Zeiträume verfolgt werden können. Als optische Verfahren werden die trackingbasierte taktile 3D‐Erfassung von Oberflächenmerkmalen und die Stereophotogrammetrie eingesetzt. Zur Charakterisierung verdeckter Ablösungen und Bauteile wird die aktive Thermografie mit natürlicher und künstlicher Erwärmung der Bauteiloberfläche verwendet. Systematische Untersuchungen an Probekörpern und Fallstudien (Magdeburger Dom, Wandbild in Cobbelsdorf, Giebichensteinbrücke) zeigen, wie u. a. mit der Verfahrenskombination die Schäden charakterisiert werden können.
Aktive Thermografieverfahren werden immer häufiger zur zerstörungsfreien Prüfung von Faserverbundwerkstoffen eingesetzt, da diese völlig berührungslos arbeiten und sowohl zur Prüfung großflächiger Strukturen als auch von großen Stückzahlen kleinerer Komponenten in der Fertigung eingesetzt werden können. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit Untersuchungen an typischen Defekten und Inhomogenitäten, die bereits während der Fertigung von CFK Bauteilen entstehen oder unbeabsichtigt mit eingebaut werden. Systematische Untersuchungen wurden mit Blitzthermografie in Reflexions- und Transmissionskonfiguration und mit Computertomographie (CT) durchgeführt. Die CT wurde dabei als Referenzverfahren genutzt, da dieses Verfahren auch kleinere Defekte mit relativ hoher Ortsauflösung und unabhängig von der Tiefe darstellen kann.
Schäden an Bauwerksoberflächen wie Risse, Ablösungen, Feuchte, Bewuchs (Moose, Flechten, Pilze usw.) und Krustenbildung werden zurzeit hauptsächlich durch konventionelle Verfahren, wie z.B. Sichtprüfung und manuelle Vermessung, erfasst. Zur Sicherung des kulturellen Erbes werden jedoch dringend moderne und effiziente Verfahren und Strategien für eine vorbeugende Instandhaltung benötigt, die mit geringeren Kosten häufigere Inspektionen ermöglichen. Auch Wachstum und Alterung des Gebäudebestands verschärfen die Situation zunehmend, Da eine detaillierte 3-D-Darstellung und wiederholte Beobachtung insbesondere von Rissen und Ablösungen u.a. auch für die sicherheitsrelevante Einschätzung der
Standsicherheit eines Gebäudes eine sehr große Rolle spielen, wurden in den letzten Jahren laserbasierte Messverfahren weiterentwickelt und eingesetzt, Diese ermöglichen eine schnelle und automatisierte Erfassung der Oberflächengeometrie und können zudem innerhalb vorgegebener Zeitintervalle wiederholt eingesetzt werden. Das Verfahren kann auch durch eine zusätzliche Aufnahmetechnik ergänzt werden, die eine Zuordnung von erfassten Farbwerten zu den 3-D-Messpunkten erlaubt.
In diesem Beitrag werden zerstörungsfreie Untersuchungen mittels aktiver Thermografie an Probekörpern aus CFK und GFK mit unterschiedlichen künstlichen Fehlstellen vorgestellt. Dabei wird die zeitliche und örtliche Temperaturverteilung nach der Erwärmung mit Blitzlampen oder mit einem Infrarot-Strahler mit einer Infrarot-Kamera erfasst. Zur späteren Rekonstruktion der Messdaten wurde ein numerisches Modell entwickelt. Dazu war die Bestimmung der thermophysikalischen und optischen Materialeigenschaften erforderlich, was in diesem Beitrag ebenfalls beschrieben wird. Die Ergebnisse der numerischen Modellierung werden mit den experimentellen Untersuchungen der aktiven Thermografie verglichen. Weiterhin werden die experimentellen Untersuchungen hinsichtlich der beiden Materialsysteme CFK und GFK und unter Berücksichtigung der Teiltransparenz des GFK-Materials sowie der unterschiedlichen Anregungsquellen bewertet.
Sowohl in der Denkmalpflege als auch in anderen Anwendungsbereichen der zerstörungsfreien Prüfung können größere kostenintensive Erhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen durch das frühzeitige Erkennen und Einschätzen von Schäden vermieden werden. Eine derartige vorbeugende Instandsetzung ist jedoch nur möglich, wenn häufige Inspektionen kostengünstig und schnell durchgeführt werden können. Systematische Methoden zur Beobachtung und Erfassung von Prozessen über einen längeren Zeitraum sowie deren Überwachung werden unter dem Begriff "Monitoring" zusammengefasst.
Im EMRP-Projekt VITCEA werden komplementäre ZFP-Verfahren zur Prüfung von Faserverbundwerkstoffen weiterentwickelt und validiert. In diesem Beitrag werden Ergebnisse verschiedener Techniken der aktiven Thermografie und des Ultraschalls vorgestellt. Die Nachweisempfindlichkeiten bezüglich künstlicher und natürlicher Fehler mit unterschiedlichen lateralen Ausdehnungen und in verschiedenen Tiefen werden miteinander verglichen.