8.3 Thermografische Verfahren
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This presentation introduces thermography (thermal imaging) as a key method for non-destructive testing (NDT) of wind turbine rotor blades. By leveraging solar heating and aerodynamic effects, passive thermography detects internal defects, delaminations, and surface issues like leading edge erosion. We discuss field measurements, the role of AI/Machine Learning (LATODA) for automated defect classification, and its importance for improving O&M efficiency and lifetime extension in the wind energy sector.
Der Vortrag der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) stellt die Einführung und Anwendung thermografischer Methoden zur Ermüdungsprüfung und Ganzblatt-Rotorblattprüfung vor. Die BAM, tätig in Forschung, Prüfung und Beratung, trägt zur technischen Sicherheit bei und unterstützt die Energiewende.
Die Abteilung 8.3 "Thermographic Methods" arbeitet an der Forschung, Entwicklung und Anwendung thermografischer Prüf- und Überwachungstechniken. Passive Thermografie ist eine bildgebende Messung der Oberflächentemperatur, die Informationen über das Innere von Bauteilen liefert. Durch Nutzung von Sonneneinstrahlung und Temperaturschwankungen können auch große Strukturen wie Rotorblätter geprüft werden.
Thermische Inspektionen visualisieren Temperaturunterschiede, die durch Material-, Struktur-, Aerodynamik- und Oberflächeneigenschaften sowie Reibungswärme entstehen. Bei rotierenden Rotorblättern wird die Thermografie eingesetzt, um Strömungsphänomene (laminar/turbulent), Oberflächendefekte (z.B. Regen-Erosion) und innere Defekte zu erkennen.
Ein Schlüsselprojekt ist die AI-gestützte Bildklassifizierung (LATODA) von über 1200 Roh-Infrarotbildern für die Mangeldetektion. Ziel ist die Entwicklung von zuverlässigen, automatisierten, robotergestützten Verfahren, um Schäden schnell zu erkennen und so Effizienzverluste (AEP-loss) zu vermeiden und die Lebensdauer von Windenergieanlagen zu verlängern.
Thermografische Ferninspektion von Windenergieanlagen im Betrieb –Potenziale und Herausforderungen
(2025)
Rotorblätter zählen zu den kostenintensivsten Komponenten von Windenergieanlagen in Bezug auf Wartung und Ausfallzeiten. Mit der zunehmenden Blattlänge – aktuell bis zu 115 m – steigen auch die Anforderungen an effektive Inspektionsmethoden. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelt hierfür eine passive thermografische Ferninspektion vom Boden aus, die die klassische visuelle Prüfung durch Industriekletterer ergänzen oder perspektivisch ersetzen soll. Feldmessungen und Laborexperimente belegen das Potenzial dieser Technik, sowohl strömungsbedingte thermische Signaturen als auch strukturelle Anomalien innerhalb der Rotorblätter zu erfassen. Eine besondere Herausforderung liegt in der Trennung dieser überlagerten Effekte sowie in der eingeschränkten Kenntnis der inneren Blattstruktur aufgrund fehlender Designdaten. Um die Methode zur Marktreife zu führen, sind Fortschritte in der Bildverarbeitung, etwa durch eine patentierte Differenzbildung, erforderlich. Der Beitrag stellt die zugrunde liegende Messtechnik, Ergebnisse einer groß angelegten Feldstudie mit 30 Anlagen sowie die identifizierten physikalischen Einflussgrößen (Strömung, Struktur, Emissivität) vor und gibt einen Ausblick auf die nächsten Entwicklungsschritte.
Das Kaltgasspritzen ist ein vielversprechendes Verfahren für die Reparatur von metallischen Komponenten , insbesondere sicherheitsrelevante Bauteile in der Luft- und Raumfahrt. Durch die Abscheidung von Partikeln mit hoher Geschwindigkeit ohne Schmelzen entsteht eine mechanisch verbundene Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Beschichtung. Die Überwachung der Integrität dieser Grenzfläche unter Ermüdungsbelastung stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar, da die Grenzfläche nicht sichtbar ist.
Die Röntgencomputertomographie (XCT) wird bereits häufig zur Charakterisierung von Defekten in Kaltgasspritzbeschichtungen und Grenzflächenbereichen eingesetzt. XCT bietet zwar hochauflösende Einblicke in interne Strukturen, ihre Anwendung bei mechanischen Prüfungen ist jedoch aufgrund praktischer Einschränkungen bei der In-situ-Implementierung begrenzt.
In dieser Studie wurde die Infrarot-Thermografie (IRT) eingesetzt, um die Schadensentwicklung in kaltgespritzten Al6061-Proben während Zug- und Ermüdungsbelastung zu überwachen. Eine gekühlte Infrarotkamera mit hoher Bildfrequenz wurde synchron mit den mechanischen Prüfungen eingesetzt, und die Daten wurden mit Lock-in-Thermografieverfahren verarbeitet, um Phasen- und Amplitudensignale zu extrahieren, die mit thermoelastischen und dissipativen Effekten in Zusammenhang stehen.
Die IRT ermöglichte die Erkennung thermischer Anomalien an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Substrat, die mit der Rissbildung und -ausbreitung korrelierten. Parallel dazu wurde die digitale Bildkorrelation (DIC) angewendet, um Oberflächenverformungsfelder abzubilden. Der Vergleich von DIC und IRT ermöglichte eine multimodale Betrachtung der Schadensmechanismen. Die fraktografische Analyse bestätigte, dass die mit IRT identifizierten Bereiche gut mit der Rissentstehung an der Grenzfläche übereinstimmen.
Diese Ergebnisse bestätigen den Wert der Infrarot-Thermografie als zerstörungsfreies Verfahren zur In-situ-Überwachung der strukturellen Integrität bei Kaltgasspritzreparaturen. Sie ergänzt XCT und DIC, indem sie eine kontinuierliche Verfolgung der Schadensentwicklung unter realistischen Belastungsbedingungen ermöglicht.
Das Thermal Shock Response Spectrum (TSRS) wird als neuartige, modellbasierte Post-Processing-Methode für die Infrarot-Thermografie (IRT) vorgestellt. Die Methodik basiert auf einer konzeptuellen Analogie zur mechanischen Shock-Response-Spektralanalyse (ISO 18431) und ermöglicht eine frequenzselektive Auswertung transienter thermischer Vorgänge. Die Einführung eines thermischen Q-Faktors, ähnlich der Resonanzschärfe (Q-Faktor) eines mechanischen Oszillators, sowie einer charakteristischen Frequenz, dessen Optimierung mithilfe stochastischer Sampling-Methoden wie Latin Hypercube Sampling erfolgt, resultiert in einem frequenzselektiven, physikalisch fundierten TSRS-Verfahren zur thermischen Signalverarbeitung bzw. Defekterkennung. Im Fokus der Untersuchung steht die methodische Entwicklung, algorithmische Optimierung und experimentelle Validierung der TSRS-Methodologie – insbesondere mit Ausblick auf zukünftige Anwendungen in der zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen und potenziell auch im Rahmen von Impactversuchen. Die experimentelle Validierung wurde an einer CFK-Platte mit künstlich integrierten Defekten an sechs unterschiedlichen Tiefen durchgeführt. Im Hinblick auf die Unterstützung automatisierter, bildgestützter Erkennung von Defektkonturen wurde ein neuartiger, auf Bildrotation basierender Kontursuchalgorithmus entwickelt. Dieser zeichnet sich durch eine bessere Performance im Vergleich zu gängigen Kontursuchalgorithmen wie „Canny Edge“ und „Snakes: Active Contour Models“ aus. Es wurde ein quantitativer Vergleich zwischen TSRS und etablierten IRT-Auswertemethoden wie Pulse Phase Thermography (PPT), Thermographic Signal Reconstruction (TSR) und Modified Differential Absolute Contrast (MDAC) auf Basis des Tanimoto-Kriteriums und der Signal-to-Noise-Ratio durchgeführt. Zusätzlich zur praxisnahen Anwendung wurden unterschiedliche Wärmequellen (Laser, Xenonblitz) und variierende Pulsformen untersucht, wodurch die methodische Robustheit der TSRS bei realen thermischen Szenarien evaluiert werden konnte.
Die klassische aktive thermografische Prüfung von Industriegütern hat sich bisher meist auf die Erstellung von zweidimensionalen Fehlerlandkarten beschränkt. Während dies für die Erkennung von oberflächennahen Defekten bereits das gewünschte Ergebnis ist, wird für tiefliegende Defekte immer mehr eine 3D-Rekonstruktion der Defektgeometrie angestrebt. Dieser allgemeine Trend ist auch bei vielen anderen ZfP-Methoden (Radiographie, Ultraschallprüfung) zu beobachten, wo die Entwicklung von 2D zu 3D-Rekonstruktionsmethoden teilweise bereits weit fortgeschritten ist (CT, UT Phased-Array).
Die Erzielung einer vollständigen 3D-Defektrekonstruktion in der aktiven thermografischen Prüfung leidet stark unter der diffusiven Natur der thermischen Prozesse. Eine mögliche Lösung zur Bewältigung der Hemmnisse thermischer Diffusion ist die Anwendung des virtuellen Wellenkonzepts, welches durch die Lösung eines inversen Problems die Extraktion der Diffusionseigenschaften aus den thermografischen Daten im Post-Processing ermöglicht. Was übrig bleibt, folgt der Physik propagierender Wellen und ermöglicht die Anwendung bekannter Algorithmen aus der Ultraschallprüfung. Zwar lassen sich die nachteiligen physikalischen Eigenschaften der Wärmeleitung nie gänzlich überwinden, was sich weiterhin in der Qualität der gewonnenen Daten widerspiegelt, jedoch bietet die thermografische Prüfung insgesamt inhärente Vorteile in Bezug auf die Anzahl kohärenter Sender- und Empfängerpostionen.
In dieser Arbeit stellen wir unsere Fortschritte bei der 3D-Rekonstruktion tiefliegender Defekte durch räumlich strukturierte Lasererwärmung in Verbindung mit der Anwendung der Total Focussing-Methode (TFM) im virtuellen Wellenbereich vor. Experimentell kombinieren wir entweder mehrere Einzelpunkterwärmungen für die Rekonstruktion von Abschnitten des zu untersuchenden Objekts oder 2D-strukturierte Anregungsmuster für eine vollständige 3D-Volumenrekonstruktion.
Infrared thermography is a widely recognized non-destructive testing (NDT) method used in material research and defect detection across various industrial applications. Moreover, thermography plays a crucial role in preserving cultural heritage, including historical paintings and buildings. This study focuses on the application of thermography in inspecting the historic Bücker Bü 181 aircraft, which was used in Germany during World War II. Over time, the original appearance of aircraft has often been altered as part of preservation efforts, either before or during their time in museums, leading to deviations from their historically original state. Additionally, the operational history of such objects is frequently undocumented or entirely lost, making it difficult to understand the presence of artifacts and historically significant data. These factors present major challenges in cultural heritage preservation, and destructive methods cannot be used to investigate such invaluable objects.
Therefore, thermography is implemented as a non-destructive and contactless examination method. Active flash thermography combined with phase analysis is a powerful tool for evaluating multilayer systems. In this study, multiple layers of old paint on the object posed a challenge in assessing defect conditions and retrieving other critical information beneath the surface coatings. Nevertheless, pulse thermography not only demonstrated its capability to identify defects and markings in multilayered coatings but also provided insights into the internal structure and subsections of the investigated aircraft.
Infrared thermography, particularly its active form, is increasingly used in various industries in non-destructive testing (NDT). To support its broader adoption, structured standardization efforts have been developed within CEN/TC 138/WG11 and coordinated with ISO. Key standards—such as EN 16714, EN 17119, and EN 17501—define principles, procedures, and equipment requirements. Current activities include finalizing the draft on induction thermography, revising EN 17119, and developing new projects on optical lock-in, laser weld inspection, and thermal diffusivity. Standardization enhances comparability, reliability, and certification, making thermography a robust and scalable solution within the global NDT framework.
Badania nieniszczące materiałów z wykorzystaniem termografii laserowej z liniowym źródłem ciepła
(2025)
Laserowa termografia z liniowym źródłem ciepła to technika o dużym potencjale w diagnostyce materiałów konstrukcyjnych, zarówno kompozytowych, jak i metalicznych. W przeciwieństwie do metod impulsowych, skupiona linia lasera pozwala na kierunkowe wzbudzenie cieplne i precyzyjne odwzorowanie rozkładu temperatury. Przesuwanie linii względem badanej powierzchni umożliwia inspekcję dużych obszarów z wysoką rozdzielczością przestrzenną, co sprzyja wykrywaniu defektów prostopadłych do kierunku propagacji ciepła.
Przedmiotem badań jest analiza odpowiedzi termicznej próbki zawierającej dwa typy nieciągłości: otwór płaskodenny (FBH) oraz szczelinę powierzchniową. Symulacje wykonano w programie Marc Mentat, z uwzględnieniem ruchu źródła ciepła i rzeczywistych parametrów materiałowych. Rozkłady temperatury analizowano dwiema metodami: rekonstrukcją pełnego termogramu oraz filtracją gradientową sumowaną w czasie (TSGF). Pierwsza z nich pozwala uzyskać obraz powierzchni próbki tak, jakby została ogrzana jednocześnie, druga wzmacnia kontrast krawędzi szczelin w kierunku prostopadłym do ruchu lasera.
Omówiono także wpływ prędkości przesuwu linii lasera na skuteczność detekcji, jako parametru wpływającego na czas wzbudzenia i wrażliwość pomiaru. Dodatkowo przedstawiono wyniki pomiarów eksperymentalnych, które potwierdzają możliwość wykrywania defektów z wykorzystaniem tej metody. Uzyskane odpowiedzi cieplne stanowią uzupełnienie analizy numerycznej i potwierdzają skuteczność metody w warunkach rzeczywistych.