Merkmalsanalyse mit thermischen Wellen in der zerstörungsfreien Werkstoff- und Bauteilprüfung

Abstract

Moderne technische Systeme werden immer leistungsfähiger, aber auch komplexer. Jeder Fehler kann die Funktionstüchtigkeit des Gesamtsystems beeinträchtigen. Daher werden hohe Anforderungen an die Qualität der Einzelteile gestellt. Qualitätssicherung lässt sich auf zwei unterschiedlichen Wegen betreiben: Durch Optimierung des Fertigungsprozesses oder durch fertigungsbegleitende zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) der produzierten Bauteile. Meistens geht beides Hand in Hand: Der Fertigungsprozess wird mit Hilfe der Ergebnisse der zerstörungsfreien Prüfung verbessert.

Die Anforderungen, die an ein zerstörungsfreies Prüfverfahren gestellt werden, sind immer die gleichen: Zuverlässigkeit, Schnelligkeit (Taktzeiten) und Wirtschaftlichkeit. Aktive thermische Prüfverfahren erfüllen häufig diese Vorgaben und werden auch dementsprechend eingesetzt. Besonders beliebt ist die optisch angeregte Lockin-Thermografie (OLT), die moduliert Wärme ins Prüfobjekt einbringt und die zeitliche Verzögerung der Temperaturmodulation (Phase) an der Oberfläche auswertet. Die Phasenauswertung ist praktisch störunanfällig und dadurch zuverlässig einsetzbar.

Allerdings wird bisher noch nicht die ganze Leistungsfähigkeit des Verfahrens ausgenutzt, da bei nur einer einzigen Lockin-Frequenz gemessen wird. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass sich mit geeigneten Korrelationsverfahren die Phasenbildinformationen bei verschiedenen Frequenzen in der "Merkmalsebene"' zusammenführen lassen ("data fusion"). Bestimmte Eigenschaftskombinationen ergeben dabei wolkenartige Muster, die die untersuchte Probe, vergleichbar einem Fingerabdruck, eindeutig charakterisieren. Durch geeignete Blendensetzung in dieser Merkmalsebene lassen sich gezielt Eigenschaften (z.B. Dicken, Grenzflächeneigenschaften, laterale Wärmeflüsse, Defekte, usw.) aus den ursprünglichen Phasenbildern extrahieren. Dadurch wird die Trennschärfe der Lockin-Thermografie wesentlich erhöht, was sich in einer erhöhten Fehlerauffindwahrscheinlichkeit (probability of detection, POD) niederschlägt.

Auf Grundlage bekannter analytischer Modelle des eindimensionalen Wärmeflusses werden Möglichkeiten der quantitativen Ermittlung thermischer Parameter, insbesondere Dicken und Reflexionskoeffzienten, vorgestellt. Das Verfahren arbeitet kalibrierfrei, wodurch sich der Einsatzbereich in der Praxis erweitert. Erste Ansätze zur Bestimmung thermischer Kontaktwiderstände, die bei der Grenzflächencharakterisierung eine wichtige Rolle spielen, werden diskutiert. Die Ergebnisse werden experimentell an praxisnahen Beispielen auf den Prüfstand gestellt.

Modern technical systems become more and more productive but also more complex. Every defect can affect the operability of the overall system. Therefore, high quality of every single component is required. Quality assurance is possible in two different ways: By optimizing manufacturing processes or by non-destructive testing (NDT) during production. In most cases, it is a combination of both: The manufacturing process is improved with the results of non-destructive testing.

Non-destructive testing methods should be reliable, fast (cycle times), and inexpensive. Active thermography very often meets those demands and is therefore being used for a wide range of applications. Very popular is optically excited lockin thermography (OLT) where the excitation of the tested object is done by modulated light and the time lag of the temperature modulation (phase) at the surface is analyzed. The phase evaluation is almost insensitive against disturbances and therefore has a wide range of applications.

However, the potential of the method is not fully exhausted until now because the measurements are usually performed at just a single lockin-frequency. This thesis shows that with suitable correlation algorithms the phase image information at different frequencies can be merged in feature space ("data fusion"'). Certain combinations of properties lead to cloudy patterns which unambigously specify the tested object similar to a finger print.

By suitable filtering within feature space, certain properties (e.g. thicknesses, interface properties, lateral heat flow, defects, etc.) can be extracted out of phase images. This increases the accuracy of lockin-thermography significantly which results in enhanced probabilites of defect detection (POD). Additionally, the approach allows for distinguishing between different damage types like impacts or delaminations in fiber composite materials.

Based on well-known analytical models of one-dimensional heat flow, this work demonstrates new methods for quantitative determination of thermal parameters like thickness and reflection coefficients. The presented methods work calibration-free which opens up new fields of applications. New approaches for measuring thermal contact resistances are introduced which are applicable to characterize interfaces. The results are validated experimentally at application relevant examples.