Wissenschaftliche Artikel der BAM
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Organisationseinheit der BAM
Mit additiven Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile und Produkte aus Kunststoffen werden zunehmend nicht mehr nur als Prototypen, sondern als voll funktionsfähige Bauteile und Produkte gefertigt. Bedingt durch die Fertigungsprozesse und den schichtweisen Aufbau resultieren physikalische Materialeigenschaften, die stark von den Fertigungsparametern abhängen und zudem anisotrop sind. Von den Fertigungsparametern werden auch die Oberflächeneigenschaften beeinflusst, sodass zu erwarten ist, dass sich die Beständigkeit gegenüber äußeren Umwelteinflüssen bei additiv gefertigten Bauteilen von der konventionell gefertigter unterscheiden kann. Nachfolgend wird daher die Entwicklung eines Qualitätssicherungskonzeptes basierend auf spektroskopischen und zerstörungsfreien Prüfverfahren vorgestellt, in dem der Alterungsprozess von mittels Fused Deposition Modelling (FDM) und mittels Lasersintering (LS) hergestellten Probekörpern untersucht wird.
Das vorgestellte Projekt beschäftigt sich mit den optischen, thermophysikalischen und mechanischen Materialeigenschaften von additiv gefertigten Kunststoffteilen und deren Alterung. Dazu wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS hergestellt, die anschließend für drei Monate einer künstlichen Bewitterung unterzogen wurden. Die dabei erzeugte definierte Alterung wurde nach drei Zeitabschnitten jeweils mit zerstörungsfreien Methoden charakterisiert. Dabei wurde neben den spektroskopischen Standardmethoden auch die aktive Thermografie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mittels der Thermografie sowohl chemische Veränderungen als auch mechanische Schädigungen (Fehlstellen) darstellen lassen. Die Bewitterung beeinflusst die Teiltransparenz der Proben zumindest im sichtbaren Spektralbereich, was bei der Charakterisierung der Fehlstellen, die mittels optisch angeregter aktiver Thermografie detektiert wurden, berücksichtigt werden muss.
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.
Eines der bedeutendsten Kunstwerke des Magdeburger Doms sind die Putzritzungen am Ostflügel des Kreuzgangs aus dem 13. Jahrhundert. Der größte Teil der einzelnen Putzoberflächen sind Ausbesserungen oder Neuverputzungen aus verschiedenen Restaurierungs- oder Reparaturphasen. In dem von der Forschungsinitiative Zukunft Bau geförderten Projekt zur 3D-Kartierung von Bauwerksoberflächen wurden Untersuchungen zur Erfassung der Schäden an diesen Putzritzungen mit optischen 3D-Messverfahren und der aktiven Thermografie durchgeführt. Dabei wurden bei den optischen Verfahren hochauflösende Techniken zur Erfassung der Oberflächentopologie (Stereophotogrammmetrie) und zur Vermessung der Rissstrukturen und Ausbeulungen (3D-Trackingverfahren) eingesetzt. Die Zuordnung der Signaturen in den Thermogrammen zu Hohlstellen sowie Materialergänzungen und -ersatz wird diskutiert. Weiterhin erfolgt ein Vergleich der Ergebnisse mit Messungen an neu freigelegten Putzbereichen.
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.
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.
Da kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) in anspruchsvollen sicherheitsrelevanten Einsatzgebieten wie im Automobilbau und in der Luftfahrt eingesetzt werden, besteht ein zunehmender Bedarf an zerstörungsfreien Prüfmethoden. Ziel ist die Gewährleistung der Sicherheit und Zuverlässigkeit der eingesetzten Bauteile. Aktive Thermografieverfahren ermöglichen die effiziente Prüfung großer Flächen mit hoher Auflösung in wenigen Arbeitsschritten. Ein wichtiges Teilgebiet der Prüfungen ist die Ortung und Charakterisierung von Delaminationen, die sowohl bereits in der Fertigung als auch während der Nutzung eines Bauteils auftreten können, und dessen strukturelle Integrität schwächen.
In diesem Beitrag werden CFK-Strukturen mit künstlichen und natürlichen Delaminationen mit Hilfe unterschiedlich zeitlich modulierter Strahlungsquellen experimentell untersucht. Verwendet werden dabei Anregungen mit Blitzlampen und mit frequenzmodulierten Halogenlampen. Mittels Filterfunktionen im Zeit- und Frequenzbereich wird das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis (CNR) der detektierten Fehlstellen optimiert. Verglichen werden anschließend die Nachweisempfindlichkeit, das CNR und die Ortsauflösung der zu charakterisierenden Delaminationen für die unterschiedlichen Anregungs- und Auswertungstechniken. Ergänzt werden die Experimente durch numerische Simulationen des dreidimensionalen Wärmetransportes.
Standardisierung der Lockin-Thermografie: Vorstellung des TNS-Projektes und Auswahl der Probekörper
(2013)
Ziel des Verbundprojektes zwischen der BAM und dem IKT der Universität Stuttgart ist die Festlegung einer einheitlichen Vorgehensweise für die Auswahl der Gerätekomponenten und für die Durchführung von Prüfungen mit der Lockin-Thermografie. Daraus soll ein Standard abgeleitet werden, der die Prüfung
unterschiedlicher Materialsysteme auf Fehlstellen mittels Lockin-Thermografie unter Berücksichtigung verschiedener Anregungsquellen ermöglicht. In diesem Beitrag wird die Entwicklung der Probekörper vorgestellt, die in diesem Projekt untersucht und später als Referenzprobekörper verwendet werden können.
Der Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Kernforschungszentrums CERN ist einer der weltweit größten und leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger. Um den Teilchenstrahl auf seiner Kreisbahn zu halten, werden mit Hilfe supraleitender Spulen sehr starke Magnetfelder erzeugt. Die hierzu benötigten hohen Ströme werden über Verbunddrähte aus Niob-Titan und Kupfer geleitet.
Die Drähte werden u.a. durch Ultraschallschweißungen miteinander verbunden. Eine mangelhafte Verbindung kann zur Erwärmung der Kontaktstelle und in Folge davon zum Zusammenbruch der Supraleitung führen. Auf Anfrage des CERN wurden an der BAM Untersuchungen zur Prüfbarkeit solcher Verbindungen bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Es gelang, für einen Verbindungstypen einen Wirbelstromsensor für eine manuelle Prüfung zu entwickeln. Ein Prototyp des Sensors befindet sich beim CERN in der praktischen Erprobung. Das Sensorprinzip sowie Prüfergebnisse aus Labor und Praxis werden vorgestellt.
Im Rahmen des INS-Projekts „Durchführung von Ringversuchen zur Normung und Standardisierung der aktiven Thermografie mit Blitzlichtanregung“ wurden Ringversuche durchgeführt, die die Zuverlässigkeit, Vergleichbarkeit und Effektivität der Blitzthermografie für unterschiedliche Prüfprobleme nachweisen sollten. Weiterhin sollten diese Untersuchungen als Methodenvalidierungsstudie die Richtigkeit und Präzision der Blitzthermografie nachweisen und Vergleichsinformationen unterschiedlicher Geräteausstattungen liefern. Im Normausschuss NA 062-08-27 AA „Visuelle und thermografische Prüfung“ des DIN werden die Ergebnisse die Erarbeitung eines Normentwurfs zur Blitzthermografie unterstützen. In diesem Beitrag werden die Ringversuche beschrieben und ausgewählte Ergebnisse präsentiert.