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Aktive Thermografie wird zunehmend für die zerstörungsfreie Prüfung insbesondere von dünnwandigen Bauteilen eingesetzt. Neben der Ortung und der Bestimmung der lateralen Ausdehnung von Fehlstellen und Inhomogenität in der Ebene parallel zur Oberfläche sind in den Messdaten auch Informationen über die Tiefe bzw. Überdeckung von Fehlstellen enthalten. In der Vergangenheit wurden verschiedene analytische Ansätze zur Rekonstruktion dieser Tiefeninformationen umgesetzt:
- Bestimmung der Blindfrequenz über die Phaseninformationen der Puls-Phasen-Thermografie
- Bestimmung des Phasenkontrastes bei der Lockin Thermografie
- Bestimmung der Fehlstellentiefe mittels Thermal Signal Reconstruction (TSR), d. h. aus dem
doppeltlogarithmisch dargestellten zeitlichen Verlauf der Abkühlung nach impulsartiger Erwärmung
Nachteil aller bisherigen analytischer Verfahren basierend auf eindimensionalen Modellen ist, dass der Einfluss lateraler Wärmeleitungseffekte nicht berücksichtigt wird. Dieser kann jedoch bei kleineren Fehlstellen nicht mehr vernachlässigt werden, wozu bisher jedoch nur teilempirische Ansätze realisiert wurden. Erst numerische Rekonstruktionsverfahren ermöglichen eine Rekonstruktion auch komplexerer Defektgeometrien unter Berücksichtigung lateraler Wärmeleitungsprozesse sowie anisotroper thermischer Materialeigenschaften. In diesem B
eitrag werden die verschiedenen Ansätze in der 3D-Datenanalyse der aktiven Thermografie miteinander verglichen und die Möglichkeiten und Grenzen der Verfahren vorgestellt.
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.
Seit dem Beginn der Anwendung der aktiven Thermografie für die zerstörungsfreie Prüfung werden für die optische Anregung zwei alternative Anregungstechniken eingesetzt: die Puls- oder Blitzthermografie und die Lock-in-Thermografie.
Bei der Puls-Thermografie ist der Anregungspuls wesentlich kürzer als die Zeit, die für die Wärmediffusion in das Bauteil hinein benötigt wird. Die Auswertung der erfassten Abkühlsequenzen wird zurzeit im Wesentlichen mit zwei Verfahren durchgeführt. Für die Auswertung im Zeitbereich werden verschiedene Auswertungsmodi des TSR-Verfahrens (TSR: thermal signal reconstruction) und Verfahren zur möglichst frühzeitigen Detektion des Intensitäts- oder Temperaturkontrastes der Fehlstellen herangezogen. Alternativ kann die Auswertung im Frequenzbereich nach dem Verfahren der Puls-Phasen-Thermografie (PPT) erfolgen. Dabei wird die Abkühlsequenz als Überlagerung vieler Einzelschwingungen betrachtet (Fouriersynthese). Die entsprechenden Phasenkontraste können unter bestimmten Umständen zur Abschätzung der Fehlstellentiefe genutzt werden.
Bei der Lock-in Anregung wird das zu untersuchende Prüfobjekt periodisch mit einer bestimmten Frequenz erwärmt und die Wärmestrahlung von der Oberfläche zeitgleich mit der Infrarotkamera erfasst. Für jede Anregungsfrequenz ist daher eine Einzelmessung erforderlich. Die Auswertung bezieht sich in den meisten Fällen allein auf die Berechnung des Phasen- und Amplitudenbildes bei der Anregungsfrequenz. Diese Berechnung kann bereits während der Messung (on-line) oder erst nach der Erfassung der Thermogrammsequenz (off-line) erfolgen.
Gemäß dem Superpositionsprinzip, das wegen des linearen Charakters der Wärmeleitungsgleichung für alle Lösungen der Differentialgleichung gilt, besteht Äquivalenz zwischen einer monofrequenten Anregung bei Lock-in-Thermografie und einer entsprechenden Komponente gleicher Frequenz bei der Puls-Thermografie. Daher sollten die Puls-Thermografie und die Lock-in-Thermografie in den Phasenbildern für die gleichen Fehlstellen die gleichen Phasenkontraste ergeben. Die experimentelle Bestätigung dieser Äquivalenz für unterschiedliche Fehlstellenarten ist der Schwerpunkt dieses Beitrages. Mögliche Gründe für Abweichungen werden benannt und sind Grundlage für weitere Diskussionen.
Sowohl die 3D-Formbestimmung als auch die Thermografie sind Verfahren der Qualitätssicherung. Im vorgestellten Projekt wird versucht, die beiden Methoden zusammenzuführen.
Das Prinzip des für die Formbestimmung verwendeten 3D-Scanners beruht auf dem bereits bekannten Verfahren der Streifenlichtprojektion. Die Neuartigkeit des hier verwendeten 3D-Scanners besteht darin, dass nicht im sichtbaren, sondern im infraroten Spektralbereich gearbeitet wird. Dadurch wird es möglich, nicht die Reflexion, sondern die Wärmestrahlung des Prüfobjektes nach Absorption der eingebrachten Strahlung auszuwerten. Dies ermöglicht, auch optisch „nicht-kooperative“ Oberflächen zu erfassen. Die Anregung mit Wärmestrahlung stellt das Bindeglied zum Verfahren der aktiven Thermografie für die Detektion verdeckter Schäden dar. Bei letzterem Verfahren wird der Wärmestau über Defekten beim Eindringen der Wärme in die Tiefe des Materials gemessen. Dabei stellen Defekte eine Störung des 3D-Scan-Verfahrens dar, während umgekehrt unregelmäßig geformte Oberflächen das thermografische Verfahren erschweren, d.h. der Messeffekt eines der Verfahren ist ein Störeffekt für das jeweils andere Verfahren.
Es wird zum einen der Frage nachgegangen, inwieweit das 3D-Scan-Verfahren durch verdeckte thermische Defekte beeinträchtigt wird, und zum anderen die Möglichkeit untersucht, den vorhandenen 3D-Scanner auch für die aktive Thermografie einzusetzen. Es werden CFK-Proben mit künstlich eingebrachten thermischen Defekten untersucht und die Möglichkeiten und Grenzen der vorhandenen Messapparatur für die Defekterkennung aufgezeigt.
Simulation und Identifizierung von Delaminationen in kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen
(2017)
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe werden häufig in sicherheitsrelevanten Gebieten wie im Automobilbau und in der Luftfahrt eingesetzt. Hier besteht ein zunehmender Bedarf an zerstörungsfreien Prüfmethoden um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der eingesetzten Bauteile gewährleisten zu können. Aktive Thermographieverfahren ermöglichen die effiziente Prüfung großer Flächen mit hoher Auflösung in wenigen Arbeitsschritten. Ein wichtiges Teilgebiet ist die Ortung und Charakterisierung von Delaminationen, die sowohl bereits in der Fertigung als auch während der Nutzung eines Bauteils auftreten und dessen strukturelle Integrität schwächen können.
In diesem Beitrag beschäftigen wir uns mit der Modellierung und effizienten Finite-Elemente-Simulation solcher Delaminationen, sowie ihrer Rekonstruktion aus gemessenen Oberflächentemperaturen. Dabei sollen die Rekonstruktionsergebnisse nicht nur eine Ortung der Fehlstellen, sondern auch eine quantitative Beschreibung der geometrischen Abmessungen und des Umfangs der Schädigungen ermöglichen. Hier erlauben numerische Rekonstruktionsverfahren basierend auf der Simulation des dreidimensionalen Wärmetransports eine Defektrekonstruktion unter Berücksichtigung lateraler Wärmeleitungsprozesse sowie von anisotropen thermischen Materialeigenschaften. Da solche Verfahren sehr rechenaufwändig sind diskutieren wir schnelle heuristische Rekonstruktionsverfahren für die Anwendung in der Praxis.
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.
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 Erwärmung mit Blitzlampen oder mit einem Infrarot-Strahler mit einer Infrarot-Kamera erfasst. Zur Rekonstruktion der Messdaten wurde ein numerisches Modell entwickelt. Dazu war die Bestimmung der thermischen und optischen Materialeigenschaften erforderlich.