Die schnelle Fehlersuche mit Lichtblitz

25. Juni 2015, 18:39
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Oberösterreichische Forscher entwickeln ein System, um Flugzeugteile mit Wärmebildkameras auf Risse und Poren zu prüfen

Wels – Wärme wird, egal ob sie von der Sonne oder vom Heizkörper kommt, durch thermische Strahlung übertragen, die außerhalb des für Menschen sichtbaren Lichtspektrums liegt. Viele Anwendungen greifen auf die Messung dieser elektromagnetischen Wellen im Infrarotbereich zurück – sei es, um den Energieverlust eines Hauses durch ungenügende Dämmung zu eruieren oder um über die Verteilung der Körpertemperatur auf Krankheiten zu schließen. Das Verfahren, das die Intensität der Infrarotstrahlen misst, wird Thermografie genannt. Das Messinstrument ist eine Wärmebildkamera.

Dasselbe Prinzip ermöglicht es aber auch, in einen Werkstoff "hineinzuschauen", um Materialfehler zu erkennen, erklärt der Physiker und Dekan der FH Oberösterreich in Wels, Günther Hendorfer. Er leitet ein Projekt, das die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung per aktiver Thermografie zu einer effizienten industriellen Anwendung optimieren soll. Ein Einsatzbereich für die Methode sind Bauteile aus Verbundwerkstoffen in der Luftfahrt, wo Materialfehler oder von außen unsichtbare Schäden – etwa nach Vogelschlag – ausgeschlossen werden müssen. Industriepartner ist der Flugzeugteilehersteller FACC.

Wärmeflüsse aufzeichnen

"Aktiv" bedeutet im Zusammenhang mit Thermografie, dass dem Werkstoff bei der Prüfung kontrolliert Energie zugeführt wird. "Wir selbst führen Wärme in Form eines Lichtblitzes zu, der Energie an der Oberfläche des Bauteils deponiert", erklärt Hendorfer den Prüfprozess. In den Sekunden darauf verteilt sich die Energie gleichmäßig in dem Material. Von der Art, wie sich diese Wärmeflüsse ausbreiten – wie rasch sie ansteigen, wie schnell sie abklingen -, kann man auf Fehler im Werkstoff schließen.

Die so gewonnenen Rohbilder bringen allerdings noch keine Erkenntnis, so Hendorfer. Die Werte, die sie repräsentieren, müssen zuerst mit physikalischen Modellen abgeglichen werden, um die gewünschte Informationen über Porosität, Risse oder andere Materialfehler, zu extrahieren – ein noch sehr komplexer Prozess, den die Forscher vereinfachen wollen, um ihn im Industrieumfeld besser umsetzen zu können. Am Ende soll ein farblich codiertes Bild etwa über den Grad der Porosität in den verschiedenen Regionen eines Bauteils aufklären.

Neben Carbonfasern und weiteren Kunststoffen können auch Glas, Holz und alle anderen Materialien mit einer "nicht allzu hohen Wärmeleitkonstante" untersucht werden. Bei Metallen funktioniere das Prinzip weniger gut, weil der Energieimpuls im Material zu rasch zerfließt. Um hier ein Temperatur-Zeit-Diagramm ableiten zu können, ist ein hoher technischer Aufwand erforderlich. Die Kameras müssen dabei nicht nur eine viel größere Anzahl von Bildern pro Sekunde aufnehmen können, sondern auch eine viel höhere Temperaturauflösung mitbringen.

Günstiger als Ultraschall

Hendorfer und Kollegen wollen beitragen, die aktive Thermografie als Alternative zur bisher gängigen Ultraschalluntersuchung von Flugzeugbauteilen zu etablieren. Die Vorteile liegen auf der Hand: Ultraschallgeräte müssen immer wieder hochgenau positioniert werden, erklärt Hendorfer. Eine Wärmebildkamera kann dagegen eine Komponente großflächig aufnehmen und damit wesentlich schneller und kostengünstiger die gewünschten Ergebnisse liefern. Bei großen Flugzeugbauteilen könnte die Kamera sogar von einem Roboterarm automatisch geführt werden.

Für gewisse Fehler ist die Aktive Thermografie bereits jetzt außerhalb der Forschungslabors im Einsatz, so der Forscher. Etwa bei großflächigen Enthaftungen in den Verbundwerkstoffen, die aus vielen Einzelschichten aufgebaut sind. "Bei der Erkennung von Delaminationen ist die Technik bereits in die Praxis gelangt. Die Fehler im Durchmesser von einem Zentimeter können standardmäßig schon recht gut erkannt werden." (pum, 25.6.2015)

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