Detektion innerer Defekte in Hightech-Materialien mit Wärmefluss-Thermographie

Die Puls-Phasen-Thermographie, eine Variante der Puls-Thermographie, ermöglicht eine verbesserte Nachweisempfindlichkeit sowie eine Kompensation von Artefakten, z. B. aufgrund von Inhomogenitäten bei der Anregung.

Eine pulsförmige Anregung kann an der Materialoberfläche als Vorgang mit einem hohen Anteil an Oberwellen aufgefasst werden. Die Ausbreitung des Impulses bzw. der Wellenanteile erfolgt als Ausgleichsvorgang im Material. Die spektralen Anteile werden dabei von den Materialeigenschaften, wie der Wärmeleitfähigkeit, aber auch von der Frequenz beeinflusst. Ist das Material homogen ausgebildet, wird für die einzelnen Frequenzen die Phasenlage je Frequenz stabil und damit homogen bleiben. Treten lokale Störungen im Material auf, so werden diese die unterschiedlichen Frequenzen unterschiedlich beeinflussen.

Der Ansatz besteht in der Ausnutzung der Phasenlageinformationen dieser unterschiedlichen Frequenzen. Dazu werden die Phaseninformationen für Grundwelle und mehrere Oberwellen aus dem zeitlichen Verlauf der Erwärmung und Abkühlung gewonnen und die Phasenlagen pixelweise in einer Phasenvergleichsmatrix gegeneinander aufgetragen. Erkennbare Defekte führen zu einer wesentlichen, unterschiedlichen Beeinflussung der Oberwellen-Frequenzen in ihrer Ausbreitung und damit in ihrer Phasenlage. Werden Pixel aus diesen Bereichen in der Phasenvergleichsmatrix gegeneinander aufgetragen, werden diese in anderen Bereichen als den i.O.-Bereichen liegen.

Die Phasenvergleichsmatrix wird anhand von Referenzproben (z. B. Aluminium-CFK-Verbundwerkstoffen) mit bekannten Defekten erstellt. Defekte werden auf diesen Referenzproben markiert. Aus dieser Vorgehensweise resultiert eine Lernmenge, welche für das Training eines Klassifikators verwendet wird. Der angelernte Klassifikator dient im Anschluss zur Identifikation von Defekten in gleichartigen Materialienverbunden. Im Anschluss können geometrische Merkmale, wie beispielsweise Rundheit, Orientierung, Fläche eines Defekts, ermittelt werden (vgl. Abbildung 1).

Links: Phasenvergleichsmatrix einer CFK-Probe mit markierten Defekten, welche für das Anlernen eines Klassifikators verwendet wurde; Mitte: Klassifizierte Defekte in einer Probe; Rechts: Finden von zusammenhängenden Regionen und Ermittlung geometrischer Merkmale
© Fraunhofer IWU

Links: Phasenvergleichsmatrix einer CFK-Probe mit markierten Defekten, welche für das Anlernen eines Klassifikators verwendet wurde; Mitte: Klassifizierte Defekte in einer Probe; Rechts: Finden von zusammenhängenden Regionen und Ermittlung geometrischer Merkmale

Multisensorielle Auswertung durch die Software Xeidana

Die am Fraunhofer IWU Chemnitz entwickelte Software Xeidana (Extensible Environment for Industrial Data Analysis) wurde für das Zusammenführen und die gemeinsame Auswertung von Daten verschiedenster Sensorsysteme konzipiert.

Zu den bisherigen Anwendungsgebieten von Xeidana gehören unter anderem:

  • Analyse von Puls-Phasen-Thermographiebildern (Detektion innerer Defekte in Verbundfaserwerkstoffen)
  • Bildverarbeitungsaufgaben (Erkennung von Oberflächendefekten, Vermessung von Bauteilen, etc.)
  • Signalauswertung (Klassifikation von Wirbelstrom-, Ultraschallsignalen für die Qualitätskontrolle von Laserschweißnähten)

Xeidana ist eine erweiterbare Entwicklungsumgebung für die Lösung von Datenanalyseaufgaben im industriellen Bereich. Die Software ist modular aufgebaut und kann über Bibliotheken an verschiedenste Aufgaben, wie z. B. die Erweiterung um Schnittstellen für neue Sensorsysteme, angepasst werden. Diese Modularität bringt eine hohe Flexibilität in der Lösungsfindung zu verschiedensten Fragestellungen und Problemen. Mittels Xeidana können durch die Kombination von CMOS-Kameras und Infrarotkameras sowohl Oberflächendefekte als auch innere Defekte in Verbundfaserwerkstoffen detektiert werden.

Das System wurde im Rahmen des Verbundprojekts „Turbo Production“ am Fraunhofer IWU Chemnitz in Zusammenarbeit mit der InfraTec GmbH Dresden entwickelt.
Die zu Grunde liegenden Puls-Phasen-Thermographie-Aufnahmen wurden von InfraTec mit einem Thermographiesystem ImageIR 8300 erstellt.

 

Finanziert aus Mitteln der Europäischen Union

und des Freistaates Sachsen