Thermische Wellenformung für interferenzbasierte thermografische Defektdetektion

Abstract

Vertikale verdeckte Materialdefekte können in der optisch angeregten aktiven Thermografie nur schlecht detektiert werden. Dies ist durch die Art der Beleuchtung bedingt, denn diese erfolgt entweder flächig oder punktuell. Die flächige Beleuchtung erzeugt Wärmeflüsse parallel zur Defektausrichtung, wodurch es nur eine geringe Wechselwirkung zwischen Defekt und Wärmefluss gibt. Der Defekt ist somit schlecht zu detektieren. Eine punktuelle Beleuchtung ändert die Richtung des Wärmeflusses, jedoch erfordert die Detektion verdeckter Defekte ein Referenzgebiet. Einen Lösungsansatz bietet ein Verfahren für die Tumordetektion aus dem Diffuse-Optical-Imaging (DOI). Das DOI nutzt zur Detektion, ähnlich wie die Thermografie, Analogien zwischen stark gedämpften Wellen und Diffusionswellen. Die technischen Voraussetzungen sind je-doch andere, da das DOI orts- und zeitaufgelöste Quellen und Detektoren nutzt, wohingegen Lichtquellenarrays in der Thermografie noch nicht eingesetzt werden. Die Zielstellung dieser Arbeit besteht darin, bestehende Lichtquellentechnologien in die Thermografie zu überführen, um so das Verfahren zur Tumordetektion auf die Defektdetektion in der Thermografie zu übertragen. Das Messprinzip basiert auf der Erzeugung eines destruktiv interferierenden Wellenfeldes. Dies wird durch zwei antiphasig oszillierende Quellen erreicht, die in ihrer Symmetrieebene ein Nullsignal referenz-frei erzeugen. Voraussetzung dafür ist homogenes isotropes Material. Ein Defekt im Einflussbereich des Wellenfelds stört die destruktive Interferenz, wodurch er detektiert werden kann. Wird ein Prüfkörper mit einem Defekt durch das Feld bewegt, kann anhand des gemessenen Signals die Defektposition bestimmt werden. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein Lichtquellenarray für die Thermografie entwickelt. Durch die Kombination eines Mikrospiegelarrays mit einem Laser konnte eine Quelle mit hoher Flexibilität, aber begrenzter Leistung realisiert werden. Eine komplementäre Quelle wurde auf der Basis eines Hochleistungslaserarrays mit geringer Zellenanzahl umgesetzt. Beide Quellen erfüllen die Anforderungen an einen Technologietransfer vom DOI zur Thermografie. Im zweiten Schritt wurde in isotropem, homogenem Material ein destruktiv interferierendes Wellenfeld nachgewiesen. Hierzu wurde ein analytisches Modell für komplexe thermische Wellenfelder erarbeitet. Es wurde sowohl gegenüber einem Modell der finiten Elemente (FEM) als auch einem Experiment validiert. Anschließend wurden bewegte thermische Wellenfelder modelliert. Dadurch geht hervor, dass sich die Bewegung negativ auf die Interferenz auswirkt, was jedoch mittels einer Leistungsanpassung kompensiert werden kann. Unbeschichtete Stahl- und Aluminiumprüfkörper mit künstlichen vertikal orientierten Nuten wurden für die Experimente verwendet. FEM-Studien und Parametervariationen charakterisieren das Ver-fahren. Hierdurch wurde nachgewiesen, dass sich Defekte hochsensitiv und referenzfrei lokalisieren lassen. Der Transfer des Verfahrens aus dem DOI in die Thermografie war erfolgreich und bietet eine Lösung für ein anspruchsvolles thermografisches Problem.