Verformungs- und Schwingungsanalyse

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1 Verformungs- und Schwingungsanalyse Auf den folgenden Seiten finden sich Erklärungen zu den von Steinbichler Optotechnik eingesetzten Technologien zur Erkennung und Sichtbarmachung von Verformungen und Schwingungen von und in Bauteilen. TV-Shearographie: Die Shearografie-Technologie ist ein interferometrisches Prüfverfahren, mit dem Beschädigungen oder Defekte an belasteten Bauteilen erkannt werden können. Das Prüfobjekt wird beleuchtet je nach Bauteilgröße mit Laserdioden, Gas- /Festkörperlaser - und durch eine CCD-Kamera mit einer so genannten Shearing-Optik betrachtet. Diese Optik projiziert das Objektbild zweifach auf den Kamerachip; somit wird jeder Objektpunkt doppelt auf dem CCD-Chip dargestellt. Wenn sich das Prüfobjekt auf Grund einer Belastung (Unterdruck, Prüflast) verformt, verändert sich das vom Bauteil reflektierte Laserlicht. Durch die Überlagerung eines Bildes in unbelastetem Objektzustand mit einer Aufnahme, die unter Belastung aufgenommen wurde, kann die Veränderung eines Bildpunktes erkannt werden. Messvorgang: Abb.: Entnommen aus: Brochure ISIS Shearographie NDT Eine Messung besteht aus der Aufnahme eines Referenzbildes des Testobjektes in unbelastetem Zustand und einer Aufnahme in belastetem Zustand. Die nachgeschaltete Auswertungssoftware subtrahiert beide Aufnahmen voneinander, filtert und unwrapped sie und gibt das Resultat auf einem Bildschirm aus. Die geeignetste Prüfbelastung sollte/muss vorher durch Versuche ermittelt werden, da jedes Material und jede Materialkombination anders reagiert.

2 Elektronisches Speckle Pattern Interferometer - ESPI Durch Ausnutzung der Wellennatur von Laserlicht lassen sich kleinste Verformungen mit einer Genauigkeit von 0.05 µm aufspüren. Die Deformation wird dabei entweder eindimensional (typ. outof-plane) oder optional mit einem 3D-Vorsatz räumlich (in- und out-of-plane) gemessen. In der Schwingungsanalyse lassen sich Resonanzfrequenzen und Schwingformen von angeregten Bauteilen bestimmen. Grundlage dieser Technik ist die Bildung von Specklemustern bei der Beleuchtung des Objektes mit Laserlicht durch die Interferenz dieses kohärenten Lichts. Specklemuster oder Speckle Pattern Speckle engl. Sprenkel, Tupfen Pattern engl. Muster, Struktur Als Specklemuster oder Lichtgranulation werden die körnigen Interferenzphänomene bezeichnet, die sich bei kohärenter Beleuchtung auf optisch rauen Objektoberflächen (Rauheit ungefähr in der Größenordnung der Wellenlänge) beobachten lassen. Speckle-Muster eines Lasers von einer diffusen Oberfläche. Um zu Erklären was Speckle nun genau sind, betrachtet man die Unebenheiten der Oberfläche als Streuzentren die im Fernfeld interferieren. Dabei entsteht eine räumliche Struktur mit zufällig verteilten Intensitäts-Minima und -Maxima. Begriffserklärung: Interferometer / interferometrisch: Interferometrie ist eine Messmethode, die mit Hilfe eines Interferometers durch den physikalischen Effekt der Interferenz Informationen über das Messobjekt liefert. Eines der einfachsten Interferometer ist eine einfache Sammellinse. Vom Objekt kommendes Licht wird von allen Stellen der Linse auf den Bildpunkt in der Brennebene gelenkt und dort zur Interferenz gebracht. Grundsätzlich lassen sich mit jeder Art von Welle, seien es Licht-, Schall-, Materie- oder Wasserwellen interferometrische Messungen anstellen. Fernfeld: Als Nahfeld und Fernfeld werden allgemein die Bereiche um eine Strahlungsquelle herum bezeichnet.

3 PulsESPI Systeme Mit 3D-PulsESPI Systemen ist die vollständige Bestimmung von Verformungen in 3D möglich. Das Prinzip ist einfach: Das betrachtete Objekt wird mit einem gepulsten Laser zweimal kurz belichtet (bei Doppelpulsaufnahme, 3 mal bei Triplepulsaufnahme, 30ns Dauer, s Pulsabstand) und gleichzeitig aus drei Beobachtungsrichtungen mittels dreier Kameras betrachtet. Anhand den Messungen dieser drei Sensoren kann die Verformung des Werkstückes an jedem Punkt der Oberfläche gemessen werden. Die optische Verzerrung der Kamerabilder, die durch die verschiedenen Betrachtungswinkel auftritt, wird automatisch korrigiert. Das Licht des Rubin- Beleuchtungslasers wird über einen Strahlteiler in einen Objekt- und einen Referenzstrahl aufgeteilt. Das Referenzlicht erreicht über eine optische Faser den hochauflösenden CCD-Empfänger (1280 x 1024 Pixel) im Sensorkopf. Die optische Faser kann je nachdem, welche Objektentfernung vorliegt, ausgetauscht werden. Am Sensorkopf kommt es zur Überlagerung mit dem vom Objekt zurückgeworfenen Licht, das über ein Objektiv auf den CCD-Chip abgebildet wird. Das entstehende Inteferenzmuster wird mit den beiden Doppelpulsen (bzw. 3 Triplepulsen) des Rubinlasers für zwei (bzw. 3) Belastungszustände des Objektes aufgenommen. Durch den Vergleich der beiden Interferenzmuster kann man die Verformung dann sehr gut herauserkennen. (Bild) Bild 2.: Prinzip einer ESPI-Verformungsmessung Die einfache Bauweise und die schnelle Installation erlauben das Messverfahren auch in rauher industrieller Umgebung. Die Sensoren sind direkt mit dem Lasergehäuse verbunden und erlauben ein einfaches Ausrichten und schnelles Messen an verschiedenen Objekten. Die maximale Inspektionsfläche beträgt einige Quadratmeter. Das Verfahren ist unempfindlich gegen Störungen wie thermische Schlieren, sowie Vibrationen und Licht.

4 Beispiel zur Anwendung: Für eine Serieninspektion von Bremsscheiben mit dem 3D-PulsESPI System wurde dieses um einen automatischen Testablauf erweitert. Dieses System erkennt automatisch ein auftretendes Bremsenquietschen. Es folgt die Analyse des Quietsch-Signals, ein an die Quietschfrequenz optimal angepasstes Einstellen des Lasers (absoluter Zeitpunkt und Pulstrennzeit), das Feuern des Lasers, die Bildaufnahme und Auswertung der Messung mit dem Ergebnis einer dreidimensionalen Verformung der Bremse. Ein Zyklus dauert ca. 3 s. Nach 10 s (Ladezeit des Lasers) ist das System wieder messbereit.

5 Die Modalanalyse: Die Modalanalyse ist eine experimentelle oder numerische Charakterisierung des dynamischen Verhaltens eines schwingungsfähiger Systems mit Hilfe ihrer Eigenschwingung und deren Parameter. Welche Eigenfrequenz, Eigenschwingungsform, modale Masse und die modale Dämpfung wären. Das Schwingungsverhalten kann auch im Betrieb erfolgen, dann nennt man es eine Betriebsschwingungsanalyse bei welcher auf die Betriebsschwingungen geachtet wird und keine externe eingeführt wird. Bei der normalen Analyse wird die Schwingung durch Impulshämmer, elektrodynamische bzw. hydraulische Shaker in das zu prüfende Werkstück eingeleitet und ähnlich einer Stimmgabel in Schwingung gebracht. Aus den Ergebnissen der Kraftaufnehmer in den Erregern und Beschleunigungssensoren am Bauteil, meist Laser-Vibrometer (Shearografie) oder Piezo Sensoren, kann über einen Computer durch verschiedene Rechenalgorythmen und den Vergleich der Frequenzgänge von Erregung und Antwort auf die modalen Parameter geschlossen werden und diese könen direkt dargestellt werden oder zur Stabilitätskontrolle genützt werden. Dadurch können dann konstruktive oder Materialtechnische Fehler aufgezeigt werden und dann beeinflusst werden, oder das Bauteil wird als Ausschuss definiert. Dies findet vor allem in der Prüfung von Flugzeugflügeln, Autokarosserien und Brücken Einsatz. Bild einer graphischen Modalanalyse

6 Rotoscan For the measurement of the out-of-plane vibration distribution of rotating components, ROTOSCAN can be integrated into a holographic interferometer. The illumination of the test object is done in coincidence to the oberservation by a beam splitter. The light reflected by the object is recorded in a holographic interferogram after the turning movements are compensated by ROTOSCAN. The evaluation of the interferogram can be done conventionally or computer-based. ROTOSCAN is excellently suited for the measurement on test parts like turbines, fans, disc brakes, fly wheels, clutches, propellers, tires, etc. A simple experimental set-up with a fan is shown in the figure below. The synchronisation of propeller and prism is done either manually or by an encoder or (almost) any pulsed signal. A stationary view is seen after reflection at the roof-edged prism and beam deviation by a beam splitter in front of the prism. The advantage of the ROTOSCAN system is that the whole object can be observed continuously and not only for a short time at the same point of rotation angle as it is the case with stroboscopic viewing.

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