Passive Online-Thermographie

Prinzip

Passive thermographische Online-Messung von Haftungsfehlern
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Passive thermographische Online-Messung von Haftungsfehlern, Rissen und Inhomogenitäten.

Für die Online-Messung von Materialschwächen wird das im Produktionsprozess erwärmte Material auf einem Förderband gleichmäßig unter einer Thermographie-Zeilen- oder Flächenkamera hindurchbewegt. Die Kamera muss in entsprechender Höhe über dem zu messenden Objekt angebracht sein, damit mit der verwendeten Optik die zu untersuchende Fläche untersucht werden kann. Dabei werden die Zeile der Zeilenkamera oder die einzelnen Zeilen der Flächenkamera so ausgerichtet, dass sie senkrecht zur Laufrichtung des Förderbandes das Wärmebild des Objekts aufnehmen.

Durch die gleichförmige Bewegung unter der Kamera hindurch wird mit einem angeschlossenen Computer ein Bild des gesamten Objekts aus den einzelnen Zeilen- oder Flächenaufnahmen aufgebaut.

Je nachdem, in welcher Tiefe sich ein Fehler befindet und wie gut die Wärmekapazität bzw. die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist, erscheint ein Fehler erst nach gewisser Zeit mit optimalem Kontrast. Im Diagramm (Bild links) ist die Abkühlung einer Oberfläche oberhalb und neben einer Materialinhomogenität sichtbar. Deutlich lässt sich der beste Zeitpunkt für die Beobachtung der Fehlstelle anhand dieser Kurve ermitteln. Dieser Zeitpunkt kann mit Hilfe der variabel einstellbaren Entfernung zwischen Kamera und Wärmequelle und der Bandlaufgeschwindigkeit optimiert werden.

Kommt das Material erwärmt aus der Fertigung, können Fehler im Material durch die gestörte Wärmeleitung als sog. "Hot- oder Cold-Spots" (Bild rechts) erkannt werden. Thermographische Messungen werden bereits zu Testzwecken in der Automobil- und deren Zulieferindustrie eingesetzt, um beispielsweise größere Lufteinschlüsse/Lunker oder Druckstellen in Polyurethan (PU)-Schäumen zu erkennen.

Kommen die Materialien durch die chemische Reaktion des PU-Schaums erwärmt aus der Pressform, so lassen sich Lufteinschlüsse als kühlere und Druckstellen durch die Verdichtung des Materials als wärmere Stellen erkennen.

Abkühlung einer Oberfläche (Thermographie)
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Abkühlung einer Oberfläche über und neben einer Materialinhomogenität.

Cold-Spot an einem defekten Plattenmaterial
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Cold-Spot an einem defekten Plattenmaterial, rechts

Im Bereich der Holz- und Holzwerkstoffindustrie werden die meisten plattenförmigen Materialien bei Presstemperaturen von über 100°C hergestellt oder verarbeitet. Das Bild (links) zeigt einen Thermographieaufbau hinter einer Plattenpresse, bei der die Kamera 4 m über den untersuchten Platten angebracht ist. So ist es möglich, beispielsweise Verklebungsfehler zwischen Beschichtung und der Spanplatte ( Bild rechts) oder auch fehlendes oder gefaltetes Papier deutlich durch die veränderte Wärmeleitfähigkeit zu erkennen. Auch fehlendes Dekorpapier (Bild mitte) kann anhand der geänderten Wärmekapazität und Leitfähigkeit erkannt werden. Darüber hinaus lassen sich aus der Beobachtung und Detektion immer wiederkehrender Temperaturmuster Rückschlüsse auf den Zustand der Presse ziehen.

Auf diese Weise kann nicht nur die Qualität des Produktes, sondern auch der Herstellungsprozess beurteilt werden

Aufbau einer Online-Passiv-Thermographieanlage
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Aufbau einer Online-Passiv-Thermographieanlage

Wärmebild fehlendes Dekorpapier (Online-Thermographie)
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Wärmebild am Ausgang einer Presse zum Beschichten von Spanplatten bei einer Temperatur von 160 °C. Deutlich sind die runden kühleren Bereiche zu erkennen, die durch Saugnäpfe des Plattengreifers verursacht wurden. Fehlendes Dekorpapier gekennzeichnet.

Wärmebild Haftungsfehler, kühlere Bereiche sind zu erkennen. (Online-Thermographie)
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Wärmebild am Ausgang einer Presse zum Beschichten von Spanplatten bei einer Temperatur von 160 °C. Deutlich sind die runden kühleren Bereiche zu erkennen, die durch Saugnäpfe des Plattengreifers verursacht wurden. Haftungsfehler gekennzeichnet.

Anwendungsbeispiel: Hochfrequenzverklebung von Fußbodenparkett in der laufenden Fertigung

Das Bild (links) zeigt den Querschnitt eines fertigen Massivholz-Parketts, das in der Produktion durch die Kombination aus speziellem Kleber und Hochfrequenzanregung in einem Arbeitsgang hergestellt wurde. Durch die Nutzung unterschiedlicher Hölzer kommt es gelegentlich zu Fehlverklebungen, weil nicht die optimale Temperatur für den Kleber erreicht wurde.

Mit der Thermographiekamera können die erzielten Temperaturen auf der Oberfläche beobachtet werden.

Das Bild (rechts) zeigt ein Thermogramm des Materials und lässt auf die sehr unterschiedliche Temperaturverteilung in der Tiefe des Materials schließen.

Fehlverklebung am Massivholz-Parkett
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Fehlverklebung (rot markierter Kleber) am Massivholz-Parkett

Thermogramm mit unterschiedlicher Temperaturverteilung.
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Thermogramm mit deutlich unterschiedlicher Temperaturverteilung.

Anwendungsbeispiel: Passive thermische Detektion an laminiertem Fußboden

Das Bild (links) zeigt einen Teil eines laminierten Fußboden, auf dessen Oberfläche mit dem bloßem Auge kein Haftungsfehler sichtbar ist. Die HDF-Trägerplatte ist durch den Beschichtungsprozess vollständig durchwärmt worden und kühlt beim Durchlaufen der Messstrecke ab. Die thermographische Aufnahme (rechts) zeigt einen Haftungsfehler im Material, der durch die unterschiedlich schnelle Abkühlung deutlich hervortritt.

Laminiertes HDF-Trägermaterial (Thermographie)
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Laminiertes HDF-Trägermaterial.

Laminiertes HDF-Trägermaterial thermographische Ansicht
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Passive thermographische Aufnahme des laminierten HDF-Trägermaterials mittels Thermographiekamera.

Anwendungsbeispiel: Temperatur- und Qualitätsüberwachung von Schüttgütern im laufenden Prozess

Schematische Erkennung von brandgefährdenden Materialien.
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Schematische Darstellung zur Erkennung von brandgefährdenden Materialien.

Bei der Trocknung und Verarbeitung von Schüttgütern kommt es oft zu Agglomerationen, die über lange Zeit hohe Temperaturen enthalten. Gelangen diese Materialien dann in geeignete Umgebungsbedingungen mit ausreichend Sauerstoff, kann es zu Bränden mit entsprechend hohen Folgekosten kommen.

Findet eine Vereinzelung des Schüttguts, z. B. durch das Herabfallen des Materials von einem Förderband auf ein anderes statt, so besteht die Möglichkeit, die brandgefährdenden Partikel während des Herabfallens entweder mit einer Thermographie-Zeilen- oder Flächenkamera zu detektieren und ggf. auszusondern.

Für diesen Versuch wird Schüttgut bis zu einer Höhe von 20 cm auf dem Förderband angehäuft und mit heißen Partikeln wie glühenden Zigaretten und Holzstücken versehen. Das Förderband wird dann mit einer Geschwindigkeit von bis zu 22 m/min bewegt und das fallende Schüttgut mit zwei Thermographiekameras untersucht.

Das Bild (links) zeigt die Detektion mehrerer heißer Agglomerationen mit einer sehr empfindlichen Thermographie-Flächenkamera (Temperaturauflösung von 0,025 K). Das Bild (mitte) zeigt ähnliche Agglomerationen, die mit der weniger empfindlichen Thermographie-Zeilenkamera (Temperaturauflösung von 0,1 K) aufgezeichnet wurden. In beiden Fällen sind die potenziell brandgefährdenden Materialien durch die roten Bereiche deutlich zu erkennen.

Neben der Detektion von brandgefährdenden Materialien kann das System außerdem zur Qualitätskontrolle von Schüttgütern dienen.

So ist z. B. für den Geschmack und damit die Qualität von Tabak die gleichmäßige Durchwärmung des Schüttguts von entscheidender Bedeutung. Mit dem oben gezeigten schematischen Aufbau kann neben der Erkennung von heißen Materialien auch die thermische Inhomogenität des Schüttguts überwacht werden, wie das mittlere Bild zeigt.

Im Bild (rechts) ist anhand der farblichen Darstellung des Thermographiebildes (grün wärmere, blau kühlere Bereiche) deutlich die unterschiedliche Temperaturverteilung im Schüttgut zu erkennen.

Detektion brandgefährdender Schüttgüter mit empfindlicher Thermographie-Flächenkamera.
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Detektion brandgefährdender Schüttgüter mit empfindlicher Thermographie-Flächenkamera.

Detektion brandgefährdender Schüttgüter unempfindlicher Thermographie-Zeilenkamera
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Detektion brandgefährdender Schüttgüter mit unempfindlicher Thermographie-Zeilenkamera.

Thermographiebild aus Materialstrom zeigt unterschiedliche Temperatur des Schüttgutes
© Fraunhofer WKI, Braunschweig

Thermographiebild aus dem Materialstrom, das deutlich die unterschiedliche Temperatur des Schüttguts zeigt.