Mess- und Auswertemethoden für die dynamische Thermografie

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung der dynamischen Thermografie als Verfahren für die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) und deren Ausbau zur quantitativen und zuverlässigen Methode für die Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung. Messergebnisse dynamischer Thermografieverfahren werden oft nur qualitativ interpretiert. Sie beinhalten jedoch weitaus mehr Informationen als den Fehlerkontrast. Durch neue Auswertemethoden konnten physikalische Parameter von Proben quantitativ bestimmt werden. Da die Funktion der Phase in Abhängigkeit der Schichtdicke nicht monoton und damit nicht umkehrbar ist, gibt es keine eindeutige Umkehrabbildung auf Basis von Phasenbildern. Unter Verwendung des komplexen Temperaturwellenfeldes wird jedoch eine Rückrechnung möglich, die sowohl die Schichtdicke als auch den thermischen Reflexionskoeffizienten liefert. Eine weitere quantitative Methode ist die Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit. Für kohlenstoff- oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (CFK, GFK) sind diese richtungsabhängig und in den meisten Fällen unbekannt. Hier besteht akuter Bedarf an genauen Messwerten der Wärme- und Temperatuleitfähikeit. Mit einer modernen Version des Angström-Versuchs wurde die Temperaturleitfähigkeit für die gängigen Laminat-Typen gemessen. Bei der Fertigung von Laminaten kommt es oft zu Lufteinschüssen, die sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils auswirken. Es sind daher ZfP-Verfahren wünschenswert, die erlauben, den Grad der Porosität in einem Bauteil zu bestimmen. Diese Arbeit enthält zwei Ansätze zur Porositätsbestimmung mit der Lockin-Thermografie. Einerseits hängt die Porosität mit der messbaren Temperaturleitfähigkeit zusammen, andererseits kann man für poröse Medien eine fraktale Geometrie zugrunde legen, in welcher die Ausbreitung thermischer Wellen von der fraktalen Dimension beeinflusst wird. Die geforderte Zuverlässigkeit von Messergebnissen ist vor allem bei der akustischen Aktivierung (Ultraschallanregung) kritisch zu bewerten. Es können Fehler aufgrund von Stehwellen oder unpassender Schallfrequenz unentdeckt bleiben. Um die Zuverlässigkeit der ultraschallangeregten Thermografie zu erhöhen, wurde eine Methode entwickelt, die durch Frequenzvariation die größtmögliche Defektanregung bietet. Die Qualität des Ergebnisbildes lässt sich mit Mitteln der Bildverarbeitung wesentlich Verbessern. Beispielsweise zeigen Defekte, die sonst in der visuellen Wahrnehmung nicht auffallen, nach einem Histogrammausgleich einen deutlichen Kontrast. Des Weiteren wurde eine Methode entwickelt, die erlaubt, das Breitfließen der Wärme rechnerisch zu minimieren, und somit die Konturen im Ergebnisbild zu schärfen. Über eine solche Berechnung lassen sich auch weitere Bauteil- und Defekteigenschaften abschätzen. Die im Folgenden vorgestellten Ergebnisse sollen die Möglichkeiten und Grenzen dieser neu entwickelten Mess- und Auswertemethoden verdeutlichen. Insbesondere die schnelle bildgebende Messung von physikalischen Eigenschaften von Bauteilen besitzt ein großes Potential für viele ZfP- Anwendungen.

This work deals with the development of dynamic thermography for quantitative measurements for material and component characterization. Results of dynamic thermography measurment are often interpreted only in a qualitative way. However, they contain much more information than the simple defect contrast. With new evaluation methods the quantitative determination of physical parameters of materials was achieved. Because of non monotonous behavior of the phase function in dependance of layer thickness, a backward calculation does not exist on the basis of phase images. However, using the complex thermal wave field, a possibility arises to obtain both thickness and reflection coefficient for any pixel of an image. Another quantitative method is the determination of thermal diffusivity by the \AA ngström approach. Thermal properties in carbon fibre reinforced plastics (CFRP) depend on the direction of the rovings in different layers. In many cases only estimates about these values exist. In this work, thermal diffusivities are determined for popular setups of layers of CFRP and GFRP. In production processes of CFRP the problem of porosity is still not solved satisfactorily. Porosity is known to reduce the mechanical stiffness of CFRP structures dramatically. Therefore a method for detection and quantification of porosity is needed. Two approaches were developed to measure porosity. In case of a single sided access the method uses fractal properties of porous regions: Thermal wave propagation is affected by a fractal geometry of the object. The reliability of thermographic measurements is of interest in the first instance using acoustic excitation: Defect detection often shows a threshold behavior and is superposed with artifacts like standing wave patterns. In the worst case, defects are not activated thermally because of wrong frequencies and amplitudes of ultrasound. A measurement method with significantly enhanced reliability was developed for this field. Frequency sweeps are applied in order to achieve a broadband defect activation. The image quality with respect to selectivity of contrast is of great importance to thermography results. With adapted image processing, the defect-contrast is enhanced. Defects that are not visible to the human eye may be detected after an histogram equalization. Furthermore, blurring caused by heat diffusion is efficiently reduced by the use of thermal point spread functions. From such functions also material and component properties are obtained. The results discussed in the following demonstrate the potential of dynamic thermography methods.