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Entwicklung und Erprobung neuer dynamischer Speckle-Verfahren für die zerstörungsfreie Werkstoff- und Bauteilprüfung
(2007) Gerhard, Henry; Busse, Gerhard (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
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.