Zerstörungsfreie Prüfung von modernen Werkstoffen mit dynamischen Shearografie-Verfahren

Abstract

Die Herausforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung steigen mit der zunehmenden Verbreitung moderner Werkstoffe. Die ZfP-Methoden sollten nicht nur schnell und kontaktfrei arbeiten, sondern auch die in diesen Werkstoffen auftretenden neuen Defektarten zuverlässig erfassen. Elektronische Speckle-Pattern-Interferometrie (ESPI) kann unter Verwendung zeitabhängiger Anregungs- und Auswerte-Methoden viele dieser Anforderungen erfüllen, sie ist jedoch für industrielle Anwendungen nicht robust genug. Shearografie wiederum ist hinreichend robust, wird jedoch nur mit statischen Belastungsarten eingesetzt. Die vorliegende Arbeit kombiniert Shearografie mit verschiedenen dynamischen Belastungs- und Auswerte-Techniken. Dazu wurde ein für dynamische Messungen geeignetes Shearografiesystem entwickelt. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Modulierbarkeit der Anregungstechniken gelegt, also auf die optische und hydrostatische Anregung sowie die erstmals mit Shearografie kombinierte induktive Anregung. Die verschiedenen Varianten der dynamischen Shearografie unterscheiden sich in ihrem Kontrastmechanismus. Daher ist z.B. bei der auf thermischen Wellen basierenden optisch bzw. induktiv angeregten Lockin-Shearografie eine Phasenauswertung der modulierten Objektverformung vorteilhaft, während bei der hydrostatisch angeregten Lockin-Shearografie die Amplitudenauswertung besser geeignet ist. Diese neuen zeitabhängigen Shearografie-Verfahren wurden hinsichtlich Tiefenreichweite, Signal/-Rausch-Verhältnis, Auflösungsgrenzen etc. untersucht und die Ergebnisse mit denen der statisch anregenden Verfahren verglichen. Für diese Untersuchungen wurden überwiegend selbst gefertigte Modellproben verwendet; zunächst einfache Proben aus homogenem Epoxidharz, später auch faserverstärkte Kunststoffverbunde und Wabenstrukturen. Um die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Anregungs- und Auswerte-Varianten der Shearografie einschätzen zu können, erfolgte außerdem ein Vergleich mit etablierten ZfP-Methoden sowie der Einsatz an überwiegend aus dem Luftfahrtbereich stammenden Realbauteilen. Dabei zeigte sich deutlich das große Potential der dynamischen Shearografie-Verfahren nicht nur bei Messungen unter Laborbedingungen, sondern auch im industriellen Umfeld.

The challenges for non-destructive testing increase with the spreading of modern materials. The NDT methods should not only operate in a fast and remote way, but should also be able to detect the new kinds of defects of these materials reliably. Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI) can comply with many of these requirements when using time-dependent excitation and evaluation techniques, but it is not robust enough for industrial applications. Shearography, on the other hand, exhibits sufficient insensitivity, but is only used with static loading techniques. This thesis deals with the combination of shearography with dynamic excitation and evaluation techniques. For this purpose, a shearography system was developed that can perform dynamic measurements. Attention was particularly paid to the modulation capability of the excitation techniques, which are optic and hydrostatic excitation, as well as the first time use of shearography with inductive excitation. The different dynamic shearography methods differ in their contrast mechanisms. For instance, an evaluation of the phase of the modulated object displacement is well-suited for the thermal wave based optically and inductive excited Lockin Shearography, while for the hydrostatically excited Lockin Shearography, an amplitude evaluation is beneficial. These new time-dependent shearography methods have been analysed with regard to depth range, signal/-noise-ration, resolution etc. and the results have been compared with those of statically exciting methods. For these analyses, mostly self manufactured specimens were used; initially simple specimens made from casted epoxy resin, and subsequently fibre-plastic composite and honeycomb structures as well. In order to assess the performance of the different excitation and evaluation shearography methods, comparitive measurements with established non-destructive testing methods and measurements of aviation components have been performed. These tests revealed the great potential of the dynamic shearography methods not only under laboratory conditions, but also in an industrial environment.