Thermografische Material- und Bauteiluntersuchungen bei komplexen Geometrien

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1 Thermografische Material- und Bauteiluntersuchungen bei komplexen Geometrien G. Hendorfer 1, G. Mayr und E. Schlotthauer 1 Fachhochschule Oberösterreich, Campus Wels FH OÖ Forschungs & Entwicklungs GmbH, Wels

2 QNDE 6 / Portland Bestimmung der Porosität in CFK - Platten e n e r g y thermal wave t= defect t T/t infrared detector time thermal wave t= T Erweiterung auf komplexe Geometrie 1 % % 3 % 4 % 5 % Ultraschall C-scan images (x,y) 1 % % 3 % 4 % 5 % Thermografie Diffusivity images slide

3 Linear Diffusivity Fitting LDF Schnelle Methode zur Materialcharakterisierung Lösung der 1D-Wärmeleitungsgleichung nach Dirac-Puls-Anregung T ( z, t) T Q / A c 4 t e z /(4 t ) Unempfindlich gegenüber inhom. Anregung Unempfindlich gegenüber Reflexionen, LDF ist schnell und robust ( sec for 3x4 image) slide 3

4 Anwendungen der LDF Methode Vorteile bei schlechter Zeitauflösung FLIR Photon TM 8.3 Hz PAL analog Video ohne Export-Lizenz des US Department of Commerce Low Cost Automatisierungskonzepte 1. IR Kamera+ Acquisition Board Anwendung: bei Materialien mit niedriger thermischer Diffusivität (GFRP & CFRP) langsame Prozesse Diffusivity image - LDF method 1 1 x Histogram - LDF method z t 1/ Diffusivity imge - Parkers method 1 1 x Histogram - Parkers method Parkers method slide 4

5 3D ComputerC Tomografie CT Kombination von CT- und PT - Daten Röntgenröhre rotierende Probe Detektor 3D CT Messung CAD Daten Fehler Klassifizierung FEM Simulation Dicken- Korrektur Kalibrierung Voxel Größe: ~1 / des Messbereiches Auflösung: ~5μm/Voxel Durchdringung mittels Makrofokus: Al ~ mm, Stahl ~7 mm korrigiertes Thermal Diffusivity image slide 5

6 Anwendungen moderner Verbundwerkstoffe LUFTFAHRT - Industrie AUTOMOBIL - Industrie Vorteile + Einsparung von Material und Gewicht + höhere Steifigkeit Fehler in faserverstärkten Materialien - Porosität - Delamination - Verklebungsfehler - Faserbruch - Fremdmaterialeinschlüsse slide 6

7 Proben und nachgewiesene Defekte Moderne Materialien aus CFRP und GFRP Anwendungen der LDF-Methode: Defekte Messeffekte Porosität in CFRP Verklebungsfehler in honeycomb structures Fremdmaterialeinschlüsse Faserverteilung in GFRP GFRP Bauteil Autodach mm 15 mm 45 mm 6.4 mm 7.8 mm Porosität Faser Verteilung Fremdmaterialien thermische Leitfähigkeit Dichte oder Problem: Auftreten von Blasen nach Erwärmung Annahme: unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten je nach Faserdichte Ziel: Suche nach einer Korrelation zwischen der Faserverteilung und den Blasen slide 7

8 Schwierigkeiten bei komplexen Geometrien Dauer des Anregungsimpulses Verteilung der Anregungsenergie Abstand zwischen Wärmequelle und Probe Winkel zwischen Wärmequelle und Probe Änderungen der Probendicke Mehrdimensionale Wärmeleitung slide 8

9 Dauer des Anregungsimpulses Korrekturfaktoren für Square-Pulse heating Abweichungen von der Delta-Pulsform power dirac impuls power square pulse Abweichungen bei `Thermal Diffusivity` Korrektur durch empirische Faktoren time time x z = 6 mm (sim.) z = 6 mm (meas.) z = mm (sim.) z = mm (meas.) m ax T T /.6.4. Pulsdauer.1 sec 1 sec 1 sec sec / s] [m t [sec] t p [s] slide 9

10 Verteilung der Anregungsenergie Annäherung durch Gauß-Verteilung FEM Simulationen unter Berücksichtigung der ungleichförmigen thermischen Anregung T(x,y) sample y-displacement [m] Measurement flash light IRcamera x-displacement [m] Calculation f ( x, y) 1 x y e 1 x x y y y-displacement [m] 6 4 x =.15 y = x-displacement [m] slide 1

11 Proben Position und Ausrichtung Einfluß auf die thermische Anregung sample Abstand x Winkel sample flash light x IR-camera flash light IR-camera 1 1 / x meas. data 1 cos meas. data.8.8 x T m a T /.6.4 x T m a T / x [m] [ ] slide 11

12 Einfluß der Probendicke Pixelweise Korrektur der Dicke T ( z, t) T Q / A c 4 t e z /(4 t ) Schnitt z (x) Dicken-Information wird für pixelweise Korrektur verwendet Dicken-Information erhält man durch: - Sensoren - CAD Daten - 3D Computer Tomografie - 3D Scanner!!! Dicken-Information muss genau sein z Thickness z [mm] Probendicke z (x) x-displacement [Pixel] slide 1

13 Finite Element Method -FEM Charakterisierung der Wärmequelle Q( x, y, z, t) P.5 sign( t) sign( t tp) Square Pulse Heating 1 e x d( z) n( z) y 1 x x y y Korrekturfaktor für Abstand Inhomogene Anregung Normal Vektor Korrekturfaktor für Ausrichtung der Oberfläche Parameter für die FEM Simulation: Symbol Name Wert Einheit Halogen- Lampe kombiniert mit einem mechanischen Blenden System P t p x y d z Anregungsleistung Pulsdauer Standardabweichung x Standardabweichung y Abstandskorrektur W sec m m % slide 13

14 Finite Element Methode -FEM Mehrdimensionale Wärmeleitung C p T t ( kt ) Q h trans ( T ext T ) C trans ( T 4 amb T 4 ) Symbol k Name thermische Leitfähigkeit Dichte Wert.3/ Einheit W/mK Kg/m 3 Anisotrope thermische Leitfähigkeit k k k k Probleme: Geometrieabweichungen an den Kanten aufwändige Daten- und Bildverarbeitung xx yx zx k k k xy yy zy k k k xz yz zz W mk C h trans T ext T amb C trans Wärmekapazität Wärmeübergangskoeffizient externe Temperatur Umgebungstemperatur Konstante * 5.7E-8 J/kgK W/m K K K W/m K 4 1. CAD Daten. MESH Modell 3. Lösungen slide 14

15 Verifizierung des FEM Modells Vergleich von Messung und FEM Simulation Messung Thermogram (1 sec) Messung FEM Simulation 4 6 e l] ix a l[p V ertic Horizontal [Pixel] Thermogram (1 sec) FEM Simulation 4 6 e l] ix a l[p V ertic Horizontal [Pixel] slide 15

16 Thermal Diffusvity Images Vergleich von Messung und FEM Simulation FEM - SIMULATION SIMULATION - SIMULATION Diffusivty image - Diffusivty image x 1-7 x 1-7 MESSUNG MEASUREMENT MEASUREMENT - Diffusivity image - Diffusivity image x 1-7 x SIMULATION - SIMULATION shape corrected - shape corrected x x MEASUREMENT MEASUREMENT - shape corrected - shape corrected x x slide 16

17 Verifizierung der Methode Vergleich der PT- und CT-Daten Bauteil Ansicht Diffusivity Image Diffusivity Image 3D Computer Tomografie UNKORRIGIERT KORRIGIERT IMAGE Pore Bereich A slide 17

18 Zusammenfassung Unser Ziel ist die Entwicklung von schnellen und robusten Methoden, die industrietauglich sind. Die LDF-Methode ist dafür geeignet. LDF erlaubt eine zerstörungsfreie und quantitative Bestimmung von Material- und Fehlereigenschaften. Die Erweiterung auf Komponenten mit komplexen Geometrien ist möglich. Kombination von FEM Simulationen und empirischen Korrekturfaktoren ist hilfreich zur Vermeidung von Fehlinterpretationen. slide 18

19 Danksagung Industriepartner NDT Team der FH-Wels Sponsor slide 19