I N H A L T

Einführung Funktionsprinzip Thermographie - Prüftechnik Prüfung von Turbinenschaufeln Metallische Verbindungen Temperaturleitwert - Werkstoffeigenschaften Emissionskoeffizient Ausblick

Einführung

In vielen Industriezweigen werden zunehmend leichtere Bauweisen mit neuen Werkstoffen und optimierten Geometrien entwickelt. Vor allem im Bereich Luftfahrt und Fahrzeugbau werden sowohl aus ökologischen als auch aus ökonomischen Gründen bewegte Massen weitestgehend reduziert. Gleichzeitig geht der Trend zu neuen kostengünstigen Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel der zunehmende Einsatz der Klebetechnik im Automobilbau.

Diese Entwicklungen beeinflussen natürlich auch die Fragestellungen in der zerstörungsfreien Prüfung. Bei vielen modernen Konstruktionen müssen auch kleinste innere Fehler sicher erkannt werden. ZfP-Methoden müssen zunehmend bei anisotropen Verbundwerkstoffen, an schwierig zugänglichen Stellen oder bei komplexen Geometrien wirtschaftlich eingesetzt werden. Dies führt sowohl zu einer ständigen Optimierung bestehender Prüftechnologien als auch zur Entwicklung neuer ZfP-Verfahren. Die Thermographie ist eine relativ junge Prüftechnik, welche seit der Bereitstellung leistungsfähiger Infrarotkameras für den zivilen Markt zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Funktionsprinzip Thermographie - Prüftechnik

Bild 1 und 2 - Prüfung CFK-Platte mit aufgeklebtem Profil (1,2,3 = Temperaturmeßpunkte)

Meßpunkt 1:	Bereich ohne Klebung; die geringe Dicke ist an der ab ca. 0,5 s abknickenden Temperaturkurve zu erkennen.
Meßpunkt 2:	Bereich mit intakter Klebung; die Wärme fließt in das Profil ab. Es werden geringere Temperaturen als bei Punkt 1 gemessen.
Meßpunkt 3:	Bereich ohne Klebung; durch den Wärmefluß in die Querstrebe knickt die Temperaturkurve zum Zeitpunkt 1,2 s nochmals leicht ab.

Bei der ZfP mit Thermographie wird normalerweise das thermische Gleichgewicht des Prüflings gezielt gestört und somit ein Wärmefluß erzeugt. Fehler, Geometrieabweichungen oder Inhomogenitäten, die diesen Wärmefluß und damit die Temperaturverteilung an der Bauteiloberfläche verändern, können mit einer Thermographiekamera sichtbar gemacht werden. Die Thermographie ist ein berührungsloses, bildgebendes und damit sehr schnelles ZfP-Verfahren mit dem auch komplexe Geometrien bei geringem Aufwand geprüft werden können. Je nach Werkstoff und Fehlertyp sind Prüftiefen bis ca. 10 mm möglich.

Bild 3 - Wärmebilder der CFK-Platte - In den Bildern nach 0,3 s und 1,4 s ist zusätzlich ein oberflächennaher Fehler sichtbar 0,3 s nach dem Blitz                  1,4 s                 2,0 s Bild 4 - Mobiler Prüfkopf an einem GFK-Bauteil; die Energieeinbringung erfolgt mit Blitzlampen

Wegen der sehr kurzen Prüfzeiten wird meist das Verfahren "Impulsthermographie" eingesetzt. Hierbei wird das Prüfteil durch einen einzelnen Energieimpuls erwärmt und gleichzeitig mit der Thermographiekamera beobachtet. Ist nur eine Seite des Bauteils zugänglich, so wird im "Reflexionsverfahren" die Energie auf der Beobachtungsseite eingebracht. Fehler wie Risse oder Materialtrennungen werden dann als Temperaturänderung an der Bauteiloberfläche sichtbar. Zur Erwärmung der Prüfteile stehen unterschiedliche Energiequellen zur Verfügung. Meist werden Hochleistungsblitzlampen eingesetzt, die sowohl für Metalle als auch für Werkstoffe mit geringer Wärmeleitung geeignet sind. Je nach Aufgabenstellung können auch Laser, angepaßte Halogenstrahler oder eine konvektive Anregung mit Heißluft verwendet werden.

Bei vielen Aufgabenstellungen werden die nachzuweisenden Fehler kurze Zeit nach dem Wärmeimpuls deutlich als Temperaturerhöhung sichtbar. Teilweise ist es jedoch notwendig, den Abkühlvorgang der Bauteiloberfläche länger zu beobachten und den zeitlichen Temperaturverlauf zu bewerten. Hierzu werden moderne Thermographiekameras mit einer Bildfrequenz = 50 Hz und einer thermischen Auflösung von bis zu 0,02 K eingesetzt. Die Bildsequenzen werden mit geeigneten Bildverarbeitungssystemen in Echtzeit aufgezeichnet. Im vorstehenden Beispiel ist das Temperaturverhalten bei der Prüfung einer geklebten CFK-Struktur dargestellt. Geklebte Bereiche bzw. unterschiedliche Bauteildicken können sowohl im Wärmebild, als auch im Temperaturverlauf identifiziert werden.

Prüfung von Turbinenschaufeln

Bild 5 - Turbinenschaufel aus dem Triebwerk CF6 ( z.B. für Airbus A330)

Bild 6 - Geringe Wanddicken verursachen eine höhere Oberflächentemperatur (rot). Die innere Struktur der Kanäle wird deutlich sichtbar.

Moderne Turbinenschaufeln aus Flugtriebwerken sind mit Kanälen oder Kanalsystemen versehen, durch die während des Betriebs Kühlluft geblasen wird. Wegen der verwundenen Außengeometrie ist eine Messung der Wanddicken mit Ultraschall oft sehr schwierig. Bei MTU München wurde die Thermographie deshalb zur Prüfung von hohlen Turbinenschaufeln auf Wanddicke und Fehler im Kühlsystem entwickelt. Die zu prüfenden Gußwerkstoffe haben eine hohe Wärmeleitung und Wärmekapazität. Für die Prüfung muß deshalb ein kurzer Energieimpuls und eine Thermographiekamera mit entsprechend hoher Bildfrequenz eingesetzt werden. Je nach Schaufeltyp wird im Reflexionsverfahren oder auch im Transmissionsverfahren - hier wird zur Erwärmung Heißluft in das Kühlsystem der Schaufel eingeblasen - gearbeitet.

Metallische Verbindungen

Bild 7 Testkörper Titan-Wabenlötung Dicke der Deckplatte: 1,0 mm, Dicke der Wabe: 0,1 mm

Bild 8 Wärmebild des Testkörpers; Bereiche ohne Lötung werden deutlich sichtbar (keine Temperatursenke)

Ein neues Einsatzgebiet mit sehr hohem wirtschaftlichen Potential ist die Prüfung der Qualität von Schweißverbindungen. In der Automobilindustrie ist derzeit oft nur eine zerstörende Prüfung möglich. Hierzu muß ein Bauteil, z.B. eine Motorhaube, aus der Produktionslinie entnommen und von Hand aufgemeißelt werden. Diese Vorgehensweise ist zeitaufwendig und kostenintensiv. Inzwischen wurde der Nachweis erbracht, daß unterschiedliche Qualitäten von Punktschweißverbindungen die Wärmeleitungsvorgänge in den Schweißpunkten beeinflussen und mit Impulsthermographie reproduzierbar erkannt werden können.

Durch geeignete Auswertealgorithmen kann eine schnelle (wenige Sekunden pro Schweißpunkt) und serientaugliche Prüfung aufgebaut werden, vor allem da der Thermographieprüfkopf mit einem automatischen Manipulator auch an komplexen Geometrien eingesetzt werden kann. Bei entsprechenden geometrischen Bedingungen sind thermische Verfahren auch zur Prüfung von Lötverbindungen geeignet. Eine Anwendung ist die integrale Kontrolle von Wabenlötungen. Bei einer Anbindung der Waben an das Deckmaterial kann die eingebrachte Wärme abfließen und die Lötung wird als "Temperatursenke" sichtbar.

Temperaturleitwert - Werkstoffeigenschaften

Neben dem Nachweis von Defekten ist mit thermischen Prüfverfahren auch die Bestimmung von physikalischen Eigenschaften möglich. Alle Werkstoffänderungen, welche den Temperaturleitwert des Materials beeinflussen, können nachgewiesen werden. Beispiele aus dem Turbinenbau hierfür sind die Porositätsbestimmung von keramischen Schichten und die Messung der Dichte an metallischen Filzen. Ein zunehmendes Porenvolumen reduziert die Wärmeleitfähigeit und die Wärmekapazität eines Werkstoffs. Bei der Impulsthermographieprüfung wird dadurch das Temperaturniveau an der Oberfläche grundsätzlich erhöht. Kann die Energie reproduzierbar eingebracht werden, so genügt es ein einzelnes Wärmebild de Abkühlvorgangs aufzunehmen und zu bewerten. Ist dies nicht möglich, so wird auch hier eine Bildsequenz über einen längeren Zeitraum zur Bestimmung der Porosität herangezogen.

	Bild 9 - Wärmebild von Keramiken mit unterschiedlichen Porositäten Schliffbild
11%                         17%	Porosität

Emissionskoeffizient

Viele Fehlerarten erzeugen bei der Thermographieprüfung nur einen geringen thermischen Kontrast. Liegt nun zusätzlich ein niedriger Emissionskoeffizient vor, z.B. bei spiegelnden metallischen Oberflächen, so ist oft kein Nachweis mehr möglich. Bei einer Erwärmung mit optischen Strahlungsquellen wird dies durch die geringere Energieabsorption im Spektralbereich der Quelle zusätzlich verstärkt. Aus diesem Grund müssen metallische Werkstoffe zur Erhöhung des Emissionskoeffizienten meist geschwärzt werden. Obwohl hierfür ökologisch unbedenkliche, wasserabwaschbare Farben zur Verfügung stehen, nimmt dieser Umstand der Thermographieprüftechnik einiges von ihrer Attraktivität. Bei MTU München liegt deshalb ein Schwerpunkt der Entwicklung in der Optimierung des Verfahrens, so daß auch Bauteile mit inhomogenen und geringen Emissivitäten ohne Schwärzung geprüft werden können.

Die meisten Keramikwerkstoffe z.B. aus der Luft- und Raumfahrt oder auch GFK- Bauteile, wie sie in der chemischen Industrie für Rohrleitungen oder Tanks eingesetzt werden, müssen nicht vorbehandelt werden. Nach der entsprechenden Anpassung der Prüfparameter können hier auch größere Flächen derzeit bis zu einer Tiefe von ca. 10 mm geprüft werden.

Ausblick

Bild 10 Moderner Thermographieprüfstand bei MTU München zur automatischen Prüfung. Kamera und Blitzeinheit sind an einem 3-Achsen-Bewegungssystem aufgebaut. Das geprüfte Verdichtergehäuse wird durch einen Drehtisch positioniert.

Die vorgestellten Beispiele zeigen, daß die Thermographie-Prüftechnik eine technisch sinnvolle und vor allem eine wirtschaftlich interessante Ergänzung oder Alternative innerhalb der ZfP darstellen kann. Aufgrund der hohen Kosten für eine Thermographiekamera wird sie jedoch bisher nur für ausgewählte Prüfaufgaben eingesetzt. Es ist jedoch auch hier mit einem Preisverfall zu rechnen. Erste Tests mit "kostengünstigen" Mikrobolometer - Kameras (60 TDM statt ca. 100 TDM) haben gezeigt, daß diese schon heute für einige Anwendungen geeignet sind. Es ist damit zu rechnen, daß sich das Einsatzspektrum der Thermographie-Prüftechnik noch deutlich erweitern wird. Eine Anwendung kann z.B. die Prüfung von Klebeverbindungen sein. Hier werden schon in einem frühen Entwicklungsstadium gute Ergebnisse bei der Inspektion von Metall-Metall und Metall-Glas Verklebungen erzielt. Das hohe Automatisierungspotential des Verfahrens könnte ein breites Anwendungsfeld in der Automobilindustrie erschließen.

Neben vielen bereits bestehenden Laboraufbauten zur zerstörungsfreien Prüfung sind inzwischen auch unterschiedliche Komplettanlagen erhältlich. Die Qualifizierung des Prüfpersonals und der Geräte wird bisher individuell von den einzelnen Anwendern geleistet. Neben der technischen Weiterentwicklung der Thermographie-Prüftechnik sollte nun auch frühzeitig mit der Zertifizierung dieses Verfahrens begonnen werden.

Die Entwicklungen und Adaptionen bei MTU werden mit Unterstützung interessierter Partner durchgeführt, die geeignetes Probenmaterial und das notwendige technische Hintergrundwissen zur Verfügung stellen. Besonders gedankt sei hier: BMW AG München, Daimler-Benz Aerospace Airbus Bremen, Daimler-Benz Aerospace Raumfahrt-Infrastruktur Bremen, Mercedes-Benz Sindelfingen, Dow Deutschland Inc. Stade, Eurocopter Deutschland Donauwörth, MAN-Technologie Augsburg, Adam Opel AG Rüsselsheim.

Anschrift des Autors:

Günter Zenzinger
Daimler-Benz Aerospace
MTU München, Abt. TWPM
Dachauer Straße 665
80995 München
Telefon: (089) 14895072

Home	Fachbeiträge online

© Copyright DGZfP mail@dgzfp.de, created by NDTnet