Die elektronische Speckle Pattern Interferometrie (ESPI) ist in ihrer gerätetechnischen Umsetzung eine bereits in vielen Anwendungsfällen bewährte Methode für berührungslose flächenhafte Verformungsmessungen. ESPI überwindet als innovative Laseranwendung die Nachteile der konventionellen Holographie und ermöglicht einfach durchführbare ganzflächige berührungsfreie Verformungsmessungen an Bauteilen. Das dreidimensionale 3D-ESPI-System bestimmt für jeden Punkt der betrachteten Objektfläche den räumlichen Verformungsvektor und ermöglicht somit für den betrachteten Messbereich die Durchführung einer vollständigen Verformungsanalyse.
Dr. Ing. Andres Ettemeyer, Ettemeyer AG, Elchingen; Dr. Ing. Stefan Keil, Ing.-Büro Dr. Keil, Lippstadt
Für die Untersuchung dynamischer Prozesse werden Puls-ESPI-Systeme eingesetzt, die mit gepulsten Lasern arbeiten. Durch die kurze Belichtungszeit eines gepulsten Lasers wird die dreidimensionale Objektbewegung gleichsam eingefroren. Die relativ junge Puls-ESPI-Technik besitzt für die dynamische Bauteilanalyse im Vergleich zu den konventionellen Doppelpuls-Holographie-Interferometern wesentliche Vorteile und hat die Ausführungsbedingungen für die Messungen signifikant verbessert.
Durch die Kombination der Puls-ESPI mit der 3D-ESPI wurde auch für dynamische Vorgänge die Ermittlung des vollständigen Verformungsvektors möglich und damit eine Methode für das dreidimensionale Erfassen des dynamischen Verhaltens schwingender Bauteile geschaffen.
Das Prinzip der dreidimensionalen Puls-ESPI-Technik beruht auf der Beleuchtung des zu untersuchenden Bauteils mit zwei sehr kurzen Laserpulsen in sehr kurzem zeitlichen Abstand. Die dabei entstehenden Bilder werden gleichzeitig aus drei unterschiedlichen Richtungen mit speziellen Hochgeschwindigkeitskameras aufgenommen und im Computer analysiert. Die Kameras sind mechanisch mit der Laserlichtquelle verkoppelt und bilden mit dieser eine Geräteeinheit. Das ermöglicht eine einfache Einstellung des Systems im Hinblick auf unterschiedliche Messobjekte und den problemlosen Einsatz bei industriellen Anwendungen. Bild 1 zeigt das 3D-Puls-ESPI-System der Ettemeyer AG.
Durch die Anwendung eines Doppelpuls-Lasers erhält man innerhalb sehr kurzer Zeitdauer durch die Separation der beiden Laserpulse zwei Datensätze, deren Differenz alle Informationen über die zwischenzeitlich eingetretene Verformung enthält. Damit wird eine vollständige Verformungsanalyse auch bei hochdynamischen Prozessen relativ einfach.
Das aus den Aufnahmen berechnete Ergebnis ist ein räumliches Verformungsbild, das für jeden in der betrachteten Messfläche des untersuchten Bauteils liegenden Punkt die zwischen den beiden Laserpulsen erfolgende dreidimensionale Bewegung beschreibt. Die Auswertung liefert sofort ein Bild der eingetretenen räumlichen Verformungen. Die optischen Bildverdrehungen durch die unterschiedlichen Betrachtungswinkel der drei Kameras werden dabei automatisch kompensiert.
Die Vorteile der 3D-Puls-ESPI-Technik sind zahlreich: Einfache Bedienbarkeit (keine optischen Justierungen, einfaches Kalibrierverfahren), kontaktfreie flächenhafte Messung, Trennung der in-plane und der out-of-plane Komponenten der Verformung, unempfindlich gegen die meisten umgebungsbedingten Störungen. Beispiele für industrielle Anwendungen der 3D-Puld-ESPI-Technik findet man bereits im Automobil- und Flugzeugbau sowie in der Eisenbahntechnik.
Anwendungsbeispiel Bremsen
Ein Beispiel für die erfolgreiche Anwendung der 3D-Puls-ESPI-Technik ist die Analyse der Ursachen für das Quietschen von Bremsen. Das Messen der Schwingungen quietschender Bremsen muss wegen des Rotierens der Scheiben und zur Vermeidung von Rückwirkungen berührungslos erfolgen. Beschleunigungsaufnehmer erweisen sich dabei als ungeeignet. Scanning-Vibrometer ermöglichen zwar hohe zeitliche Auflösungen, aber flächenhafte Messungen nur bei gleichförmigen Schwingungen. Zunehmend gilt bei Untersuchungen an Bremsscheiben das Interesse nicht nur den eindimensionalen Verformungen senkrecht zur Bremsfläche, sondern der Erfassung des dreidimensionalen Schwingverhaltens. Die von der Ettemeyer AG zur industriellen Anwendungsreife entwickelte 3D-Puls-ESPI kann die damit verbundenen Anforderungen erfüllen und die dreidimensionalen Schwingbewegungen beim Quietschen von Bremsen berührungslos und flächenhaft erfassen. Das Messverfahren bezieht in die dreidimensionale Ergebnisdarstellung alle Komponenten der Bremse wie Scheibe, Sattel, Beläge und Trommel ein.
Spezielle Algorithmen erlauben dabei die Trennung der Verformungen in der Scheibenebene von den durch die Rotation bewirkten Komponenten. Bild 2 zeigt das Ergebnis einer an einer rotierenden Bremsscheibe mit Sattel durchgeführten Schwingungsanalyse. Die in-plane auftretenden Verformungsvektoren sind als Pfeile eingezeichnet, die Farben geben die out-of-plane (senkrecht zur Bremsfläche) vorhandenen Verformungskomponenten wieder.
Jüngste Entwicklungen haben zu einem automatisch arbeitenden Inspektionssystem für quietschende Bremsen geführt, das das Quietschsignal aufnimmt, automatisch den Laser steuert und ein vollständiges Bild der Verformung des untersuchten Bauteils liefert.
Weitere Informationen A QE 422
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