Impuls-Thermographie

Prinzip

Prinzip der Impuls-Thermographie
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Prinzip der Impuls-Thermographie. Lokal unterschiedliche Wärmeverteilungen deuten auf unsichtbare Defekte hin.

Bei der Impuls-Thermographie bleibt das Material ortsfest liegen und die Oberfläche des Objekts wird mit schnell reagierenden Strahlern oder Blitzlampen kurzzeitig (einige Milli- bis Mikrosekunden) sehr homogen um einige wenige Grad erwärmt (weniger als 5 °C).

Wenn keine Materialunterschiede oder strukturelle Schwächen unter der Oberfläche vorhanden sind, dringt dieser Wärmeimpuls gleichmäßig in das Material ein und die Oberfläche kühlt anschließend sehr homogen ab. Befinden sich unter der Oberfläche Haftungsfehler, Fraßgänge von Insektenlarven oder andere Inhomogenitäten, an denen der Wärmefluss in die Tiefe behindert ist, so zeichnet sich dieser Bereich auf der Oberfläche in der Regel durch eine höhere Temperatur, in seltenen Fällen auch durch eine geringere Temperatur ab. Diese lokal unterschiedlich warmen Bereiche der Oberfläche können mit Hilfe einer Thermographiekamera erkannt werden.

Der in den folgenden Bildern gezeigte Aufbau steht am Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI) für Untersuchungen mit Hilfe der Impuls-Thermographie zur Verfügung. In ihm können kleine Serien von Proben mit der Größe von ca. 0,5 x 0,5 m² automatisch untersucht und ausgewertet werden.

Impulsthermographie Anordnung (Impuls-Thermographie)
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Anordnung von IR-Kamera und 4 Blitzlampen für die Untersuchung von Objekten mit der Impuls-Thermographie.

Impulsthermographie Aufbau
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Impuls-Thermographie-Aufbau am Fraunhofer-Institut für Holzforschung WKI zur Untersuchung von Material-Kleinserien auf Ablösungserscheinungen wie Korrosion etc.

Anwendungsbeispiel: Haftungsfehler am Beispiel eines Furniers in unbestimmter Tiefe

Thermographieaufnahme von Haftungsfehlern in Falschfarbendarstellung
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Thermographieaufnahme von Haftungsfehlern in Falschfarbendarstellung, ca. 20 s nach dem Einbringen der Wärme.

Da oft nicht bekannt ist, in welcher Tiefe sich ein Defekt befindet, und die Wärmeleitfähigkeit der Materialien sehr unterschiedlich ist, müssen ganze Serien von zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern aufgezeichnet werden, damit so viele Defekte wie möglich gefunden werden. Dies wird an einer historischen Intarsienarbeit demonstriert, die Haftungsfehler des Furniers in einer bestimmten Tiefe aufweist. Die Erwärmung der Probe mit einer Größe von 50 x 50 cm2 erfolgt mit dem IR-Strahler innerhalb weniger Millisekunden und hat eine Temperaturerhöhung der Oberfläche von ca. 1°C zur Folge.

Zeitlicher Verlauf der Oberflächentemperaturen
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Zeitlicher Verlauf der Oberflächentemperaturen und des Kontrastes auf (Nr. 1) und neben einem Defekt (Nr. 2).

Das Abkühlungsverhalten der Oberfläche über der intakten und der defekten Klebefuge ist deutlich an den unterschiedlichen Abkühlkurven zu erkennen. Aus diesen Kurven ergibt sich der optimale Aufnahmezeitpunkt zur Erkennung der Haftungsfehler durch den besten thermischen Kontrast, der sich nach ca. 25 s einstellt. Die schlechte Haftfestigkeit der Furnierschicht ist anhand der warmen Bereiche zu erkennen (rot gefärbt und mit 1 gekennzeichnet), denn gute Haftfestigkeiten zeichnen sich durch sehr gleichmäßige Thermographiebilder aus (blau gefärbt und mit 2 gekennzeichnet).

Anwendungsbeispiel: Beschichtete Spanplatte

GFK-beschichtete Spanplatte mit sichtbaren Haftungsfehlern
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

GFK-beschichtete Spanplatte mit deutlich sichtbaren Haftungsfehlern in der linken Bildhälfte und guter Haftung in der rechten Bildhälfte.

Am Beispiel einer dünnen Spanplatte, die mit GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) beschichtet ist, wird die Impuls-Thermographie demonstriert.

Die Erwärmung der Probe (50 x 50 cm²) erfolgt mit 4 Xenon Blitzlampen innerhalb von nur 50 ms, was eine Temperaturerhöhung der Oberfläche von ca. 1 K zur Folge hat. Der beste Aufnahmezeitpunkt mit dem maximalen thermischen Kontrast wird nach ca. 12 s erreicht. Die schlechte Haftfestigkeit der Klebefuge kann im Bild oben anhand des stark strukturierten Bildes erkannt werden, denn gute Haftfestigkeiten zeichnen sich durch sehr gleichmäßige Thermographiebilder (gleichmäßiger Grau- oder Farbwert) aus. Die Bruchbilder (ganz rechts) der abgezogenen Oberflächen bestätigen die schlechte Haftung für die Flächen 1 - 5 und die gute Haftung für die Flächen 6 - 10.

Anwendungsbeispiel: Rostunterwanderung an lackierten Metalloberflächen

Metallplatten Thermogramm
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Drei Metallplatten mit unterschiedlichen Beschichtungen (rechts) und ein zugehöriges Thermogramm (rechts) 40 ms nach dem Eindringen des Wärmeimpulses.

Üblicherweise wird Rostunterwanderung an lackierten Metalloberflächen durch mühsames und zeitraubendes Abheben der unterwanderten Lackschichten ermittelt.

Mit Hilfe der Thermographie lässt sich die Rostunterwanderung zerstörungsfrei bis in die feinsten Verästelungen beobachten. Da das Material bei dieser Untersuchung nicht zerstört wird, ist eine Fortführung der belastenden Klimatisierung möglich und damit das Fortschreiten der Korrosion am selben Material zu beobachten.

Foto einer beschichteten Metallplatte
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Foto einer beschichteten Metallplatte.

Thermogramm-Film einer beschichteten Metallplatte
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Thermogramm-Film einer beschichteten Metallplatte mit deutlich sichtbarer Filiform-Korrosion.

Anwendungsbeispiel: Schichtdickenbestimmung von Lacken

Schichtdickenbestimmung an Lack
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Schichtdickenbestimmung an Lack. Foto von 7 Lackschichten (oben), Thermographiebild (Mitte) und Höhenprofil (unten).

Neben der Detektion oberflächennaher Haftungsfehler ist es auch möglich, die Schichtdicke von Farben und Lacken zu bestimmen, wenn sich die physikalischen Eigenschaften dieses Materials (Wärmeleitfähigkeit, Dichte, Wärmekapazität) von denen des darunter liegenden Trägersubstrates unterscheiden.

Das Bild zeigt eine qualitative Schichtdickenbestimmung, in der von links nach rechts die zunehmenden Lackdicken zu sehen sind. Darunter wird das Thermographiebild kurz nach dem Einwirken des Wärmeimpulses gezeigt.