Entwicklung und Erprobung neuer dynamischer Speckle-Verfahren für die zerstörungsfreie Werkstoff- und Bauteilprüfung

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und Erprobung neuer dynamischer Speckle-Interferometrie-Verfahren für den Einsatz in der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP). Dabei geht es um eine interferometrische Abbildung des durch thermische Wellen bedingten Verformungsfeldes, das durch verborgene Bauteilstrukturen modifiziert ist. Die Grundlage bildet ein Elektronisches-Speckle-Pattern-Interferometer, welches die Ausdehnung eines Objektes optisch, berührungsfrei und flächig messen kann. Die Verformung von Defektstellen oder Inhomogenitäten im Material muss sich von den intakten Stellen unterscheiden, um sie nachweisen zu können. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass durch eine modulierte Wärmeeinbringung in das Prüfobjekt und die Anwendung der Lockin-Technik auf die Speckle-Interferometrie die mit der kontinuierlichen Wärmeeinbringung verbundenen Nachteile überwunden werden. Durch eine pixelweise Fouriertransformation der Sequenz, welche typischerweise aus mehreren tausend Bildern besteht, wird die gesamte Defektinformation über das Bauteil in nur zwei Bildern (Amplituden- und Phasenbild) komprimiert. Aus der so ermittelten Amplitude und Phase der Feldmodulation wird auf die Bauteilstruktur rückgeschlossen, womit sich Anwendungen in der ZfP ergeben. Der Anwender gewinnt zusätzliche Informationen über die Defekte. Durch Änderung der Modulationsfrequenz lässt sich die Tiefenreichweite der thermischen Wellen einstellen. Verschieden tief liegende Defekte in Holz und Kunststoffen konnten mit der neuen Lockin-Interferometrie detektiert und in ihrer Tiefenlage relativ zueinander aufgelöst werden. Jedoch kann diese tiefenaufgelöste Messung durch sukzessive Frequenzvariation sehr zeitaufwendig sein, besonders bei niedrigen Anregungsfrequenzen. Diese Arbeit stellt am Beispiel einer Schräglochbohrung dar, dass durch die Modulation und Auswertung bei mehreren Frequenzen eine tomografische Messung erfolgen kann. Damit reduziert sich die Messzeit erheblich. Bei den Phasenbildern tragen hauptsächlich die Defekte zum Signal bei. Der störende Einfluss der Gesamtverformung (Hintergrundsignal) ist deutlich reduziert. Der Defektkontrast und die Wahrscheinlichkeit zur Defekterkennung (”Probability of Defect Detection“, POD) wird erhöht, weil das Signal/ Rauschverhältniss gegenüber einem Einzelbild aus der Verformungssequenz wesentlich verbessert wird. Um die Tiefenreichweite besser zu verstehen und somit die Grenzen und Möglichkeiten dieses neuen ZfP-Verfahrens auszuloten, wurden analytische Ansätze und eine Finite-Elemente-Methode zur Berechnung eingesetzt. Ein Vergleich mit der optischen Lockin-Thermografie zeigt die Vor- und Nachteile zwischen der Temperatur- und der Verformungserfassung. Einflussfaktoren auf den Amplituden- und Phasenverlauf und Auflösungsgrenzen wurden besonders an definierten Modellproben untersucht. Die für die Aufnahme und Auswertung notwendige Software wurde ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Zur Berechnung der ESPI-Phasenbilder diente der Prozessor einer Grafikkarte. Hierdurch ließen sich die Berechnungszeiten erstmals innerhalb der nachfolgenden Bildaufnahme durchführen. Die Erzeugung von Temperaturänderungen an einem Prüfobjekt kann durch verschiedene Anregungsmethoden erfolgen. Diese werden aufgezeigt und deren Eignung für die Lockin-Speckle-Interferometrie diskutiert. Messungen mit der Lockin-ESPI an verschiedenen Werkstoffen und Strukturen verdeutlichen das Potential dieser neuen Methode. Die Ergebnisse wurden auch mit anderen am IKT-ZfP vorhanden ZfP-Verfahren verglichen. Es zeigte sich, dass dieses Verfahren bei luftfahrtrelevanten Fragestellungen (Schädigungscharakterisierung von Impacts in CFK, Einschlüsse in Wabenstrukturen oder Delaminationen) aufgrund seiner Sensitivität die bisherigen zerstörungsfreien Verfahren hervorragend ergänzt und somit ein beachtliches Zukunftspotential bei der Qualitätssicherung moderner Werkstoffe besitzt.

This thesis deals with the development and testing of new dynamic speckle interferometric methods to be applied in non-destructive testing (NDT). The physical mechanism involved is interferometric imaging of periodical deformation fields caused by thermal waves which are modified by a hidden inner structure of a specimen. This method is based on an Electronic-Speckle-Pattern-Interferometer which optically and remotely measures the expansion of an object over a certain area. Defects or inhomogeneities can be detected only if the deformation caused by them is distinguishable from the one of the intact surrounding. Up to now defects have been detected by continuously heating the sample. However, a reliable detection is difficult since intact areas deform as well. This thesis shows that this disadvantage can be overcome by heating the object periodically and applying the Lockin technique to Speckle-Interferometry. Via a pixel-wise Fourier transformation of the sequence, which typically consists of several thousand images, the entire defect information can be compressed into two only images (amplitude and phase image). Hidden structure is revealed by amplitude and phase of the field modulation, thus making it attractive for NDT. By changing the modulation frequency the depth range of the thermal waves can be adjusted. In wood and plastics, defects in different depths can be detected remotely with Lockin-interferometry and resolved with respect to their relative depth position. However, this depth profiling by using one modulation frequency after the other can be very time-consuming - especially at low excitation frequencies. It is shown that by modulation and analysis at multiple frequencies in one single experiment a depth profiling can be carried out. This significantly reduces measuring times. In phase images mainly the defects contribute to the signal. The interfering effect of the whole object deformation (background signal) is strongly reduced. This increases the defect contrast and the probability of defect detection (POD) by improvement of the signal-to-noise ratio as compared to just one single image of the deformation sequence. This allows e.g. for the detection of moisture ingress in a CFK honeycomb structure or subsurface holes in plastics which could not be visualized otherwise. To improve the understanding of the depth range and thereby identify the limitations and potential of this new NDT method, analytical approaches and a finite-element-method were applied. A comparison with the results obtained with optical Lockin-Thermography shows the advantages and the disadvantages between temperature and deformation acquisition. Parameters affecting amplitude and phase as well as resolution limitations were primarily investigated for defined model samples. At first a transportable out-of-plane interferometer had to be designed and constructed. The software for recording and analyzing the data was also developed in this thesis. The processor of a graphics card was used to calculate the ESPI phase images. This, for the first time, enabled the calculation within the frame time of the camera. Temperature modulation can be induced on the testing object in various ways. These are presented and discussed regarding their applicability to Lockin-Speckle-Interferometry. Measurements performed with the Lockin-ESPI on different materials and structures illustrate the potential of this new method. The results are compared to those achieved by using other NDT techniques available at IKT-ZfP. It became evident, that due to its sensitivity this method complements the power of other modern non-destructive measurement techniques applied for aeronautic problems (damage evaluation of impact in carbon fibre reinforced materials, embeddings in honeycomb structures, or delaminations). Therefore it has a considerable potential for its use in future quality management system of modern materials.