Zerstörungsfreies Messen und Prüfen im Inneren von Werkstoffen mittels bildgebender Verfahren

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1 Zerstörungsfreies Messen und Prüfen im Inneren von Werkstoffen mittels bildgebender Verfahren Volker Uhl, Ricardo Vizcaya Mai 2014

2 Wer wir sind OFI Fortschritt in guten Händen Wir sind die Experten für Werkstoffanwendungen und Bauwerkserneuerung. Wir prüfen und bestätigen die Zuverlässigkeit Ihrer Werkstoffe ob für den Einsatz im Fahrzeugbau, bei Verpackungen oder im Bauwesen. Damit Ihre Produkte fit für den Markt sind. Wir begutachten Bauwerke und planen Sanierungen. Damit Häuser, Brücken, Straßen oder Denkmäler sicher und nachhaltig nutzbar sind.

3 Das OFI in Zahlen 1946 gegründet 120 MitarbeiterInnen 3 Standorte in Wien und Wiener Neustadt 13 Mio. EUR Umsatz (2012) ~ Kunden ~ akkreditierte Prüf-, Inspektions- & Zertifizierungsverfahren

4 Ultraschallmikroskopie: Funktionsprinzip Ultraschallmikroskopie Akustisches Objektiv Definierte Ultraschall-Impulse werden ausgesendet und durch akustische Linsen fokussiert. Die Ultraschall-Wellen dringen in die Probe ein. An Grenzflächen ändern sich die akustischen Eigenschaften des Materialiens (Dichte, Elastizität) und ergeben eine akustische Reflexion bzw. ein Signal Korngrenzen, Texturen Risse Ablösungen, Adhäsion, Artefakte Interface Eindringender Ultraschall Probe Reflektiertes Echo Partikel, Einschlüsse, Präzipitate Lücken, Blasen, Löcher

5 Ultraschallmikroskopie: A-Scan

6 Ultraschallmikroskopie: Ultraschallwellen Ultraschall Verschiedene Anwendungen, wie z. B. Sonar, medizinische Untersuchungen und SAM (Scanning Acoustic Microscopy bzw. Ultraschallmikroskopie). Durchführung im unhörbaren Bereich (f > 20 khz). Infraschall 0-20 Hz Hörschall 20 Hz 20 khz Ultraschall > 20 khz Akustische Mikroskopie MHz Frequenz [Hz]

7 Ultraschallmikroskopie: Frequenzabhängigkeit Eigenschaften eines Transducers Theoretische Fokallänge Eindringtiefe Auflösung [mm] in Fe [mm] [µm] 30 Frequenz 12,7 3, ,6 Frequenz [MHz] Fokallänge Detektions- Grenze [µm] 75 Bandweite 12,7 3,4 20 6,4 80 9,0 2,2 19 6, ,0 2,2 15 5, ,0 2,2 14 4, ,5 2,2 10 3, ,0 < 2 8 2, ,8 < 1 4 1,3 Datenquelle: PVA TePla

8 Ultraschallmikroskopie: typische Einsatzgrenzen Die Auflösung und die Eindringtiefe werden besser, je niedriger die Steifigkeit (E-Modul) und je höher die Dichte der Probe ist. Stahl /-ähnliche Metalle Laterale Auflösung 30 µm Eindringtiefe 3,4 mm Laterale Auflösung 30 µm Polymere Eindringtiefe 10 mm 10 µm 0,3 mm 10 µm 0,9 mm Auflösung Z-Richtung > 18 µm Auflösung Z-Richtung > 6 µm

9 Ultraschallmikroskopie: Beispiele Mit Ultraschallmikroskopie aufgenommenes Fasergewebe in CFK.

10 Beispiel: Detektion von Delaminationen Blasenbildung unter Folie auf Metallsubstrat Defekterkennung an der Grenze Folie/Metall Lichtbild USM: Oberfläche Grenze Folie/Metall

11 Beispiel: Punktgeschweißten Klebungen Leichtmetalle sind unedel, Oxidschichten und Klebstoffschicht wirken als Isolatoren. Der Energieeintrag der Punktschweißung führt zur Pyrolyse des Klebstoffes und zur Bildung von Spaltprodukten und Gasen. Punktschweißklebung

12 Beispiel: Punktgeschweißte Klebungen Untersuchung der Fügezone mittels Ultraschallmikroskopie Mg-Blech / Punktschweiß-Klebung mit Burst-Kanal und Blasenkränzen Klebstoffschicht 30 MHz Klebstoffschicht 75 MHz

13 Aktive Thermografie: Funktionsprinzip Aktive Thermografie 1. Das Prüfobjekt wird mit Energieblitzen kurzzeitig erwärmt. 2. Die Kamera nimmt Wärmebilder des Abkühlungsvorgangs auf. 3. An Fehlstellen ergibt sich ein verändertes Abkühlverhalten, das im Wärmebild erkennbar ist. Anregung: Wärmeimpuls Aufnahme: Wärmeabgabe Deckschicht Grenzschicht Defekt Defekt Grundmaterial

14 Aktive Thermografie: Funktionsprinzip Kamera Synchronisierung Signal Aufnahme Verarbeitung Blitzlampe y T(t) x Probe

15 Aktive Thermografie: Verschiedene Verfahren Impuls-Thermografie Anregung durch kurzen Wärmeimpuls Auswertung im Zeitbereich Kurze Messdauer Lock-In-Thermografie Längere intensitätsmodulierte Anregung Bestimmte Anregungsfrequenz Genauere Ergebnisse Lange Messdauer Puls-Phasen-Thermografie Kombination aus Puls- und Lock-In-Thermografie

16 Puls-Phasen Thermografie: Funktionsprinzip Kamera Synchronisierung Signal Aufnahme Verarbeitung DFT y A(f) x Blitzlampe y T(t) x Probe y Ф(f) x

17 Thermografie: Anwendungen Vorteile schnell zerstörungsfrei berührungslos Anwendungen Schädigungen im Schichtaufbau von Werkstoffverbunden Klebe-, Niet- und Schweißverbindungen Risserkennung (offene und geschlossene) Delaminationen und Impacts in Faserverbundwerkstoffen Haftung von Lack- und Keramikbeschichtungen Untersuchung von Polymerwerkstoffen

18 Thermografie: Anwendungen Beschichtungen Haftung Metalle Risse, Lunker, Passungen Faser-Metall-Laminate Schlagschäden, Delaminationen Faserverbundwerkstoffe Schlagschäden, Delaminationen Faserkeramik Risse, Porosität, Inhomogenität, Delaminationen Fügeverbindungen Klebe -, Niet - und Schweißverbindungen

19 Aktive Thermografie: Einsatzgrenzen Die Proben sollten matte Oberflächen haben (Reflexionen!). Metalle brauchen in der Regel zur Untersuchung eine Matt-Lackierung PPT funktioniert am besten bei Polymermaterialien. Glas ist im Infrarotbereich lichtdicht (Filter erforderlich). Die laterale Auflösung nimmt bei größeren untersuchten Bereichen ab. Typische Werte: Bei einer Aufnahme von 3,75 x 3 cm² ist die Auflösung 60 µm Bei einer Aufnahme von 12 x 9 cm² ist die Auflösung 180 µm Bei einer Aufnahme von 40 x 30 cm² liegt die Auflösung bei 600 µm Bei einer Aufnahme von bis zu 200 x 150 cm² ist die Auflösung ca. 3 mm Höhere Auflösungen bei kleineren Messfenstern sind mittels eines Extender-Rings möglich. Die Angaben beziehen sich auf die Ausrüstung des OFI.

20 Aktive Thermografie: Einsatzgrenzen Wo Thermografie gut funktioniert: Schlecht wärmeleitendes Material auf gut wärmeleitendem Material z.b. Lack über Metall Wo Thermografie nicht gut funktioniert: Gut wärmeleitendes Material auf schlecht wärmeleitendem Material z.b. Stahl Klebstoff Stahl Wo Puls-Phasen Thermografie am besten funktioniert: Dünne Schichten mit oberflächennahen Defekten. Beste Auflösung in Tiefenrichtung: 20 µm im Idealfall; nur zwischen Materialien, die sich in der Wärmeleitfähigkeit sehr unterscheiden, z.b. Lack auf Metall Detektierbare Defektgröße: diese muss mindestens so groß wie die Tiefenlage sein (Entfernung des Defekts zur Oberfläche)

21 Aktive Thermografie: Beispiele Mit Puls-Phasen-Thermografie aufgenommenes Fasergewebe in CFK.

22 Beispiel: Solarmodul Detektion des Haftverhaltens eines PV-Backsheets nach Schadgaslagerung.. Lichtbild Thermogramm

23 Beispiel: geklebte Wabenstruktur Haftversagen bei der Verstärkung eines Leichtmetallblechs durch eine aufgeklebte Wabenstruktur Untersuchung von vorne durch das Leichtmetallblech Von oben Haftversagen Von der Seite

24 Zusammenfassung Bildgebende Verfahren können zu zerstörungsfreien (kontaktlosen) Untersuchungen im Werkstückinneren eingesetzt werden. Bildgebende Verfahren liefern eine hohe Diagnosesicherheit. Es können Metalle, Kunststoffe und Materialverbunde untersucht werden. Die Kombination von neuen zerstörungsfreien, bildgebenden Verfahren und Methoden der Umweltsimulation eröffnet neue Anwendungsfelder.

25 VOLKER UHL Tel.: volker.uhl@ofi.at We are the experts for material applications and building renovation