Thermographie - neue Anwendungen der Industriellen BV

Wärme sehen

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Die frühzeitige Erkennung struktureller Materialschwächen in Verbundmaterialien ist eine wichtige Aufgabe in der industriellen Qualitätssicherung. Im Rahmen von Nullfehlerkonzepten wird dabei eine hundertprozentige Inspektion der Produktion angestrebt. Damit wird nicht nur ein positives Image erzeugt, sondern es werden auch Kosten durch Kulanz oder im schlimmsten Fall durch Regressansprüche vermieden. In vielen Fällen können Fehler jedoch nicht mit herkömmlichen optischen Sensoren erkannt werden, da sie unsichtbar für das menschliche Auge unter der Oberfläche liegen. In solchen Fällen kann der Einsatz von thermographischen Verfahren erwogen werden.

Dr. Norbert Bauer, Koordinator der Fraunhofer-Allianz Vision, Erlangen

Diese Verfahren erlauben einen Blick in das Innere der Materialien. Durch die Erfassung der Wärmeleitfähigkeit entlarvt die Thermographie völlig berührungslos und zerstörungsfrei Unregelmäßigkeiten unter der Oberfläche. Mit modernen Infrarotkameras ist die schnelle, großflächige Inspektion unter Produktionsbedingungen möglich.
Abkühlungsthermographie
In vielen Fällen kommt ein zu untersuchendes Material bereits erwärmt aus einem Produktionsprozess. Diese Wärme wird üblicherweise über Konvektion von der Oberfläche des Untersuchungsmaterials an die kühlere Umgebung abgegeben. Die Wärme „wandert“ also vom Körperinneren nach außen. Befinden sich Haftungsfehler oder Delaminationen im Material, behindern diese den Wärmetransport an die Oberfläche. Hierdurch sind die Bereiche über den Fehlstellen deutlich kühler als ihre Umgebung, da die Wärme quasi an den Fehlstellen „feststeckt“ und nicht weiter an die Oberfläche gelangen kann. Diese Wärmedifferenzen auf der Oberfläche können mit einer Thermographiekamera sichtbar gemacht werden, indem die Intensität der Infrarotstrahlung in Grauwerte umgewandelt wird. Damit kann der Wärmefluss, der für die Erkennung von unsichtbaren Fehlern von entscheidender Bedeutung ist, beobachtet und gemessen werden. Nach der Aufnahme werden die gewonnenen Informationen in elektrische Signale umgewandelt und als Bild auf dem Monitor dargestellt oder im Computer gespeichert.
Aktive und Impuls-Thermographie
Bei Materialien, die nicht erwärmt aus dem Produktionsprozess kommen, muss die Wärme zugeführt werden. In diesem Fall spricht man von aktiver, im Fall extrem kurzer Erwärmungen von Impuls-Thermographie. Bei der Impuls-Thermographie wird die Oberfläche eines Objekts mit schnell agierenden Strahlern oder Blitzlampen kurzzeitig homogen erwärmt. Ohne Schwächen und Inhomogenitäten im Material dringt dieser Wärmeimpuls gleichmäßig ein und die Oberfläche kühlt auch sehr homogen wieder ab. Befinden sich allerdings Haftungsfehler unter der Oberfläche, die den Wärmefluss in die Tiefe behindern, so zeichnet sich dieser Bereich auf der erwärmten Seite durch eine erhöhte Temperatur (hot spot) oder auf der entgegengesetzten Seite durch eine niedrige Temperatur (cold spot) ab. Die Zeit zwischen Wärmepuls und Sichtbarwerden eines Fehlers liefert darüber hinaus genaue Information über die Tiefenlage.
Damit die Technik der aktiven Thermographie auch im industriellen Prozess eingesetzt werden kann, muss eine Erwärmungstechnik genutzt werden, die auch große Objekte schnell und homogen erwärmen kann. Hierzu wird zum Beispiel das Untersuchungsmaterial auf einer Förderanlage in geringem Abstand unter einem langgestreckten Wärmestrahler hindurchgeführt und die Oberfläche um einige Grad erwärmt. Danach wird die Wärmeverteilung mit einer Zeilen- oder Flächenkamera aufgezeichnet. Bild 1 zeigt eine derartige Messeinrichtung. Bei der Impulsthermographie kommen spezielle Infrarotblitzlampen zum Einsatz.
Anwendungen
Mit der Thermographie können im industriellen Umfeld wichtige Beiträge zur Qualitätssicherung geleistet werden. Neben der Detektion von Rissen, Blasen, Einschlüssen und Delaminationen bei Verbundmaterialien können auch Schichtdickenmessungen und Werkstoffcharakterisierungen vorgenommen werden. Die Prüfung ist bei unterschiedlichsten Materialien und Verbünden möglich. Grundsätzlich ist für eine schnelle Prüfung auch eine gutes Wärmeleitvermögen des Prüflings notwendig.
Für die Bestimmung der Schichtdicke von Farben und Lacken ist es wichtig, dass sich die physikalischen Eigenschaften der Deckschicht (Wärmeleitfähigkeit, -kapazität, Dichte) von denen des darunter liegenden Trägersubstrates unterscheiden. Für die quantitative Dickenbestimmung einer Farb- oder Lackschicht müssen zudem die Materialeigenschaften genau bekannt sein und eine Kalibrierung muss durchgeführt werden.
Beispiel für Haftungsfehler
Bei der Verklebung von verschiedenen Materialien kann es zu Fehlern oder Schwächen in der Haftung kommen, die mit dem menschlichen Auge nicht zu sehen sind (Bild 2). Eine Thermographiekamera „sieht“ mehr und kann somit die Klebestelle unterhalb der Oberfläche nach Fehlern überprüfen. Dazu werden die verklebten Materialien kurzzeitig erwärmt und anschließend die Abkühlung mit einer Thermographie-Kamera beobachtet. Haftungsfehler erscheinen danach wärmer (heller) als ihre Umgebung, weil hier die Wärme nicht so schnell in die Tiefe abfließen kann. In einem Versuch wurden mit Glasfaserverstärktem Kunststoff beschichtete Spanplatten mittels Online-Thermographie untersucht. Die Aufnahme der mit „gut“ bzw. mit „schlecht“ beurteilten Proben sind in Bild 3 zu sehen. Im Vergleich mit den schlechten Proben zeichnen sich die für gut befundenen Proben durch eine deutlich homogenere Grauwertverteilung aus. Um den Zusammenhang zwischen einer homogenen Grauwerteverteilung und Haftung zu verdeutlichen, wurde an einer gut und an einer schlecht verklebten Probe jeweils ein zerstörender Test zur Bestimmung der Abhebefestigkeit durchgeführt. In Bild 4 ist links die thermographische Aufnahme der schlechten und rechts die der guten Platte zu sehen. Die Abrissflächen und die entsprechenden Abhebefestigkeiten wurden in das Bild integriert. Resultat: Die Festigkeit der Oberfläche ist bei einer guten Platte immer größer als 1 N/mm², bei einer schlechten Platte variiert sie analog zur gemessenen Temperaturverteilung entsprechend verschiedener Grauwerte.
Schnelle Impulsthermographie
Geklebte Bleche, wie sie heute im Automobilbau verstärkt eingesetzt werden, oder beschichtete Turbinenschaufeln können mit Hilfe der Hochgeschwindigkeits-Impulsthermographie auf Querrisse, Poren und Schichtdickenschwankungen geprüft werden. Hierzu wird das Objekt durch Blitzlampen einige wenige Millisekunden lang homogen erwärmt. Haften die Schichten, so verteilt sich die Wärme gleichmäßig. Stößt die Wärme auf einen Fehler und damit auf Widerstand, wird der Wämefluss in die Tiefe verhindert. Diesen Effekt registriert eine Infrarotkamera, die Temperaturunterschiede von 0,03 Grad Celsius mit einer Rate von 200 Bildern pro Sekunde zuverlässig erkennen kann. Eine spezielle Software wertet die Informationen anschließend aus.
Die Hochgeschwindigkeits-Impulsthermographie kann überall dort eingesetzt werden, wo Materialien oder Materialverbunde im oberflächennahen Bereich schnell und berührungslos auf Fehlstellen, Schichtdicken oder Haftungsschäden untersucht werden müssen. So können auch verborgene Roststellen, z.B. unter Lacken, sichtbar gemacht werden. Bild 5 zeigt ein verklebtes Blech einer Autotür. Im Originalbild ist die Dämpfungsklebung auf der Rückseite gut sichtbar (schwarze Stellen). In der Realität sieht man das Blech jedoch nur von vorne und hat mit bloßem Auge keine Möglichkeit, die Aufbringung der Dämpfungsmasse zu überprüfen. In der Thermographieaufnahme (Bild 6) ist die Dämpfungsmasse auch von der Vorderseite aus gut sichtbar (gelbe Bereiche). Der grüne Streifen am linken Rand zeigt die Verklebung der beiden Bleche.
Bild 7 zeigt die Oberfläche eines Bleches während eines Korrosionsversuchs und Bild 8 die verborgene Korrosion mit der Infrarottechnik. In dieser Anwendung können die Versuchsreihen verkürzt werden, da die Schäden früher auswertbar sind. Im Bild 10 wird die Befestigung des Kupplungsbelags an der Scheibe erkennbar und gibt Aufschluss über die nutzbare Dicke des Belags.
Weitere Informationen A QE 418
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