Das Unsichtbare sehen

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1 Das Unsichtbare sehen Zerstörungsfreie Prüfverfahren Marcus Heindl 26. Mai 2011

2 Zerstörungsfreie Prüfung Definition Aufgabe der ZfP ist es, in zu beanspruchenden Werkstücken ohne deren Zerstörung Inhomogenitäten oder Fehlstellen aufzufinden und die Prüfergebnisse so zu bewerten, dass eine Entscheidung über die (Weiter-) Verwendbarkeit dieser Prüflinge herbeigeführt werden kann. Ziele - Rechtzeitiges Austauschen von gefährdeten Komponenten. - Vermeidung eines unnötigen Austauschs von funktionstüchtigen Komponenten. Zu beachten - Die Aussagegenauigkeit der ZfP hängt von der Ansprechempfindlichkeit der Messgröße auf das eigentlich interessierende Merkmal ab. Festlegung von Gut-Schlecht-Kriterien erforderlich. 2

3 Messaufgaben in der ZfP Schichtdickenmessungen (z. B. Lackschichten, Verbundteile, Mehrschichtrohre) Geometriebestimmung (z. B. Soll-Ist-Vergleich mit CAD-Daten) Lunker, Risse und Fremdmaterialien Delaminationen in der Klebe- oder Harztechnik Gefügeanomalien (z. B. Kristallstrukturen, Eigenspannungen) Feuchtebestimmung Inspektionsaufgaben in der Sicherheitstechnik 3

4 Zerstörungsfreie Prüfung Grundprinzip Quelle: Kunststoffprüfung, W. Grellmann, S. Seidler, Hanser-Verlag 4

5 Anregung durch elektromagnetische Wellen Elektromagnetisches Gesamtspektrum λ + λ - THz Gamma 100 km 1 m 10 cm 1 mm 100 µm 50 µm 10-8 m m Frequenz Photonenenergie 780 nm 380 nm 3, , Hz Mikrowellenprüfung (z. B. für CFK-Teile) THz-Spektroskopie Thermografie Sichtprüfung Mikroskopie Röntgen- / Isotopentechnik Computertomographie

6 Sichtprüfung und Mikroskopie Vor- und Nachteile: Materialunabhängig Als Vorprüfung immer einsetzbar Kaum Gerätekosten " Teilw. subjektive Beurteilung " Gefügefehler nicht erkennbar " Erkennbare Fehlergröße begrenzt Zu beachten: - Optimale Sehfähigkeit - Definierte Beleuchtungssituation - Akkomodation und Prüfzeiten beachten Beispiel: Risse in einer PMMA-Platte: Visuelle Beurteilung Prüfsystem fsystem: Digitales Lichtmikroskop Gerichtete Beleuchtung Betrachtungswinkel: 30 Vergröß ößerung: 20fach 6

7 Thermographie Prinzip Detektion der Wärmestrahlung (Infrarot) eines Objekts durch Halbleiter- Sensoren (z. B. Si, InGaAs, InSb) und anschließende Bildgebung. Üblicher Wellenlängenbereich: 8 bis 14 µm (Atmosphärisches Fenster) Passive Thermographie (z. B. Bauthermographie, Prozesskontrolle) Aktive Thermographie - Pulsartige Induktionsanregung - Vorteil: Einfach durchführbar, schnelle Prüfergebnisse - Nachteil: Verfälschung durch inhomogene Erwärmungen möglich Aktive Lock-In Thermographie - Modulierung des Anregungssignals (0,01 bis 1 Hz) - Berechnung von Amplituden- und Phasenbildern - Robust gegen inhomogene Anregung Quelle: flir.com 7

8 Passive Thermographie - Beispiel Inline-Thermographie bei der Spritzgussverarbeitung Prinzip: Wärmebilder liefern Messdaten für einen Soll-/Ist-Vergleich. Bild 1: Screenshot: Online-Thermographie Software Bild 2 oben: Stationärer Zustand Bild 2 unten: Störgrößeneinfluss, (a) bis (d) Quelle: Georg Schwalme, SKZ, Forschung, Spritzgießen,

9 Aktive Thermographie - Reflexion Blitzlampe oder Strahler Prüfobjekt Steuerung und Bildverarbeitung IR-Kamera Hohlraum IR-Strahlung Quelle: InfraTec Informationsveranstaltung,

10 Aktive Thermographie - Transmission Blitzlampe oder Strahler Prüfobjekt IR-Kamera Steuerung und Bildverarbeitung IR-Strahlung Hohlraum Quelle: InfraTec Informationsveranstaltung,

11 Aktive Thermographie - Transmissionsaufbau Halogenstrahler IR-Kamera Prüfobjekt Quelle: InfraTec 11

12 Aktive Thermographie - Beispiel 1 Metalleinschlüsse zwischen Kunststoffplatten Quelle: InfraTec 12

13 Aktive Thermographie - Beispiel 2 Sandeinschlüsse zwischen Kunststoffplatten Quelle: InfraTec 13

14 Aktive Thermographie - Beispiel 3 Glasfasern zwischen Kunststoffplatten Quelle: InfraTec 14

15 Computertomographie (1) Physikalisches Grundprinzip Quelle / Sender S Objekt Detektor / Empfänger E Schwächungsprofil I = I 0 e I 0 I(L, d) Jedem Punkt einer Durchstrahlungslänge d liegt ein µ(ρ, Z) zugrunde. Dadurch ergibt sich auf Basis des Lambert-Beer-Gesetzes: E S µ ( ρ, Z ) ds ds Ziel ist die Bestimmung der örtlichen Verteilung von µ und eine 3D-Rekonstruktion des Objekts 15

16 Computertomographie (2) Prinzipieller Aufbau Strahlenkegel Röntgenquelle Rotationsachse Detektor Quelle: Fraunhofer EZRT, ZfP-Tagung,

17 Computertomographie (3) Wichtige Messparameter bei der Computertomographie Strahlenquelle - Spannung und Strom - Fokusgröße bzw. Brennfleckgröße - Brennfleckposition Detektor - Belichtungszeit - Empfindlichkeit - Bildmittelung zur Rauschreduktion - Binning (Zusammenfassen von Bildpunkten) Manipulator - Achspositionen (Rotationssymmetrien beachten) - Schrittwinkel der Drehachse pro Aufnahme bis

18 Computertomographie (4) Rekonstruktion Anzahl der Voxel Projektionen Messdaten Rekonstruktion 512 x 512 x 512 (a) 400 bis 800 0,21 bis 0,42 GB 0,27 GB 1024 x 1024 x 1024 (b) 800 bis ,68 bis 2,52 GB 2,15 GB 2048 x 2048 x bis ,01 bis 13,42 GB 17,18 GB 4096 x 4096 x bis ,37 bis 120,80 GB 137,43 GB Beispiele für Rekonstruktionszeiten: (a) 1 x Pentium IV, 1,5 GHz: 8 min (b) 1 x Pentium IV, 1,5 GHz: 120 min // 5 x Pentium IV, 1,5 GHz: online // 5 x Pentium IV, 1,5 GHz: online Einsatz eines Rechnerclusters aus 2 bis 10 Rekonstruktionsrechnern. Quelle: Fraunhofer EZRT, 3D-CT-Kurs,

19 Computertomographie (5) CT am SKZ Computertomograph exact M150: Detailerkennbarkeit: 15 μm (Voxelgröße: 5 μm) Maximal messbare Bauteilgröße: 250 x 150 mm Röntgenquelle 125 kv, wartungsfrei und langzeitstabil Präzisions-Positioniersystem mit Granitführungen (luftgelagert) Detektor Volumetrik 3745, 3.7 Megapixel, Pixelgröße ca. 45 µm Computertomograph exact S50 HR: Detailerkennbarkeit: 5 μm (Voxelgröße: ca. 1,5 μm) Maximal messbare Bauteilgröße: 50 x 40 mm Röntgenquelle 125 kv, wartungsfrei und langzeitstabil Präzisions-Positioniersystem Detektor Volumetrik 1645, 1.6 Megapixel, Pixelgröße ca. 45 µm 19

20 Computertomographie - Beispiel 1 Durchstrahlungsbild einer Kunststoffachse Lunkerbereiche Fremdpartikel 1 cm 20

21 Computertomographie - Beispiel 2 Füllstoffverteilung CT Formteiloberfläche Glaskugeln als Füllstoff Bild 1: Originalteil Polystyrol, verstärkt Bild 2: CT-Rekonstruktion und Segmentierung 21

22 Terahertz-Spektroskopie Einordnung im elektromagnetischen Spektrum λ = 3000 bis 30 µm / f = 0,1 bis 10 THz / E = 0,4 bis 41 mev Eigenschaften der THz-Strahlung - Kunststoffe sind transparent für THz-Strahlung. # Unpolare Kunststoffe wie z. B. PE, PP, PTFE absorbieren kaum. # Polare Kunststoffe wie z. B. PA, PVC absorbieren stärker. - Silizium und viele Gläser sind transparent für THz-Strahlung. - Wasser und elektrisch leitfähige Materialien sind nicht transparent für THz-Strahlung. Wasserdampf, z. B. in der Luft kann THz-Messungen beeinträchtigen. - THz-Strahlung ist eine nicht-ionisierende elektromagnetische Strahlung. Erzeugung von THz-Strahlen - Elektronische Systeme (z. B. Halbleiter-Oszillatoren) - Optische Systeme mit THz-Pulsen (fs-laser) - Optische Systeme mit kontinuierlicher THz-Strahlung (z. B. Diodenlaser) Quelle: Thomas Hochrein, SKZ, Forschung, Messtechnik,

23 Kommerzielle THz-Systeme SynViewHead (SynView GmbH) TPS Spectra 3000 bzw. Imaga 1000 (TeraView) SynViewScan (SynView GmbH) T-Ray 4000 (Picometrix) THz-TDS Fraunhofer IPM TERA K15 (MenloSystems GmbH) Quelle: Thomas Hochrein, SKZ, Forschung, Messtechnik,

24 Messprinzip Amplitude THz-Puls Probe Zeit Zeitliche Verschiebung des Pulses Brechungsindex Abschwächung und Deformation des Pulses Absorptionsgrad Quelle: Thomas Hochrein, SKZ, Forschung, Messtechnik,

25 Beispiel: Füllstoffgehalte in Compounds Quelle: S. Wietzke et al., Kunststoffe 5, 52 (2007) 25

26 Beispiel: Wasseraufnahme von WPC Bild 1: Neuzustand Bild 2: THz-Bildgebung Quelle: C. Jansen et al., Appl. Optics 49, E48 (2010) 26

27 Ultraschallprüfung Anregung durch mechanische Wellen Unterscheidung: - Infraschall: < 16 Hz - Hörschall: ca. 16 Hz bis 20 khz - Ultraschall: > 20 khz Technische Erzeugung durch Piezoelemente (z. B. Keramiken, PVDF) Genauigkeit und Durchdringung: Wellenlänge eines Ultraschallimpulses: λ = v m / f (mit λ: Wellenlänge, v m : Schallgeschwindigkeit, f: Frequenz) Genauigkeit Durchdringung Wellenlänge Wellenlänge 27

28 Konventionelles Verfahren Anwendung: Wanddickenmessung Prüfkopf mit Sender und Empfänger d Koppelmittel d = (v( m t) / 2 mit: t = Laufzeit V m (Luft): V m (PE): = 330 m/s 1950 m/s V m (PMMA): 2680 m/s V m (Stahl): 6000 m/s Anwendung: Materialprüfung Amplitude EE FE RE Zeit 28

29 Phased-Array-Technik Gruppenstrahlertechnik Anpassung des Schallfelds durch Ansteuerung der Schallelemente Bild 1: Schrägeinschallung Bild 2: Fokussierung Quelle: Dr. Kurt Engelsing, SKZ, Forschung, Bauteile,

30 Beispiel Rissuntersuchungen an einer Platte aus Polycarbonat Oberseite Seitenansicht C-Bild Bild 1: Neuzustand Bild 2: Nach Medienkontakt Quelle: Dr. Kurt Engelsing, SKZ, Forschung, Bauteile,

31 Zusammenfassung Die zerstörungsfreie Prüfung nimmt in ihrer Bedeutung auch bei Kunststoffbauteilen stetig zu. Je nach Methode und Aussagegenauigkeit können Messergebnisse bereits innerhalb von wenigen Minuten erzielt werden. Die Messtechnik muss in den meisten Fällen sehr genau an die Messaufgabe angepasst werden. Der Zusammenhang zwischen Messgröße und Formteilzustand muss gut bekannt sein. Die Durchführung der Messungen und die Auswertung der Messergebnisse erfordern gut geschultes Personal. 31

32 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Ihr Ansprechpartner bei Fragen Marcus Heindl Stellvertr. Leiter Prüflabor Friedrich-Bergius-Ring Würzburg Tel: Fax: