Einführung

In früheren Artikeln in dieser Zeitschrift wurde schon ausführlich über die Thermografie als Meßverfahren für die vorbeugende Instandhaltung berichtet. Dabei handelte es sich ausnahmslos um Anwendungen im Bereich der sogenannten passiven Thermografie.

Diese Anwendungsart der Thermografie beschränkt sich auf die Aufnahme der Temperaturverteilungen auf den Oberflächen der Meßobjekte, ohne Einflußnahme des Thermografen auf die Wärmeflüsse im Meßobjekt, die für die Oberflächentemperatur des Meßobjektes in erster Linie verantwortlich sind.

Heute sollen an dieser Stelle die Grundprinzipien der Impulsthermografie und deren möglichen, zukünftigen Anwendungen in der vorbeugenden Instandsetzung vorgestellt werden.

Zur Theorie: Was ist mit dem Begriff "Impulsthermografie" gemeint?

Im Gegensatz zur weiter oben erwähnten passiven Thermografie, zählt die Impulsthermografie zu den aktiven Methoden der Thermografie. D.h., der Thermograf nimmt Einfluß auf die Temperaturverteilung an der Oberfläche des Meßobjektes. Der Grundgedanke ist dabei- etwas salopp formuliert - die Wärme in einem Meßobjekt ein wenig durcheinander zu schütteln, um dann zuzuschauen, wie sie sich wieder ins Lot bringt.

Dazu wird auf die Oberfläche des Meßobjektes ein Energiepuls aufgebracht der die Oberfläche kurzzeitig erwärmt. Danach beginnt sich die Oberfläche abzukühlen, da die Wärme in das Innere des Meßobjektes abfließt. Dieser Vorgang der Abkühlung wird nun mit einer für das jeweilige Problem geeigneten Thermografiekamera beobachtet. Wird das Abfließen der Wärmeenergie in das Meßobjekt nicht behindert, beispielsweise durch Materialfehler unter der Oberfläche, kann man ein homogenes Abkühlen beobachten. Sobald jedoch Fehler im Material auftreten, wird der Abkühlungsprozeß gestört. Dies macht sich durch eine unregelmäßige Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Meßobjektes bemerkbar.

Die Abbildungen 1 und 2 zeigen diesen Vorgang nochmals schematisch. In der Abbildung 1 wird das Transmissionsverfahren in der Impulsthermografie skizziert. Dabei wird auf der einen Seite durch einen Energiepuls die Objektoberfläche erwärmt. Die Wärmeenergie durchdringt das Meßobjekt und auf der anderen Seite wird beobachtet, wie die Wärme wieder an die Oberfläche tritt. Sofern im Meßobjekt eine Inhomogenität (Fehler) vorliegt, treten an den Punkten T1 und T2 treten kurzzeitig verschiedene Oberflächentemperaturen auf.

Bild 1

Bild 2

An den Fehlerstellen ist die Wärmeleitung anders (i. a. schlechter) als im fehlerfreien Bereich. Die Temperatur T2 ist also niedriger als die Temperatur T1 im ungestörten Bereich. Dieses so erhaltene Wärmebild macht also einen unter der Oberfläche liegenden Fehler quasi sichtbar. Hier aufgrund veränderter Wärmeleitung im fehlerbehafteten Bereich.

Die Abbildung 2 zeigt das Prinzip des Reflexionsverfahrens in der Impulsthermografie. Die Erwärmung erfolgt in gleicher Weise. Nur wird hier auf der erwärmten Seite der Abkühlungsprozeß durch ein für das jeweilige Problem angepaßtes Thermografiesystem beobachtet. In diesem Fall zeigt das so erhaltene Wärmebild an der fehlerhaften Stelle eine höhere Temperatur T2 als im ungestörten Bereich mit der Temperatur T1. Nun lassen sich die eben formal beschriebenen Meßprinzipien der Impulsthermografie natürlich auch mit kurzzeitigem Abkühlen des Meßobjektes durchführen. "Einfach" abkühlen und beobachten wie sich die Wärme wieder ins rechte Lot bringt. Das prinzipielle Vorgehen bleibt das gleiche. Dies ist dann interessant, wenn das Meßobjekt wärmer als die Umgebung ist, bzw. wenn ein Wärmestrom von innen nach außen auf die Oberfläche besteht.

Zur Praxis: Wo hat sich die Impulsthermografie schon bewährt ?

Nun stellt sich nach so viel Theorie die berechtigte Frage nach der Umsetzung in die Praxis. Die Impulsthermografie hat ihre Wurzeln in der Zerstörungsfreien Materialprüfung (ZfP). Dort wird sie in immer ausgefeilteren Anwendungsmethoden schon seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt. Und zwar überall dort wo es sich um mehrschichtige Werkstoffe (CFK, GFK etc.) oder dünne Schichten auf einem Trägermaterial handelt, sowie um unterschiedliche Materialdicken festzustellen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind allein von der Erfindungsgabe und einem Problemlösungsbewußtsein abhängig.

Eindrückliche Beispiele der Impulsthermografie (Transmissions- und Reflexionsverfahren) aus der ZfP (die Daimler-Benz Aerospace stellte unserem Büro freundlicherweise Thermogramme zur Verfügung, die unterschiedliche Anwendungen illustrieren):

Bild 3  - Bild 4  - Bild 5

Wanddickenkontrolle von Turbinenschaufeln (Transmissionsverfahren)
Thermisch hochbelastete Turbinenschaufeln sind mit Kanälen versehen, durch die während des Betriebes Luft zur Kühlung strömt. Aus Festigkeitsgründen müssen bei diesen hohlen Schaufeln Mindestwanddicken eingehalten werden, deren Messung wegen der komplexen inneren Struktur und der zum Teil stark verwundenen Außengeometrie oft äußerst problematisch ist.

Die Abbildungen 3, 4 und 5 zeigen drei Bilder mit z. T. fehlerhaften Wanddicken. So ist in Abb. 3 die Wanddicke ziemlich homogen 0,9 mm. In der Abb. 4 und 5 sind Schwachstellen durch die höheren Temperaturen (gelb-rot Farbcodierung) zu erkennen. Die Erwärmung wurde in diesem Falle mit Heißluft bewerkstelligt.

Bild 6

Ablösung von Trägerwerkstoffen (Reflexionsverfahren)
Ablösungen dünner Schichten von Trägerschichten lassen sich ebenfalls gut erkennbar feststellen. Die Abbildung 6 zeigt als Beispiel die Ablösung einer keramischen Schicht vom Trägerwerkstoff. Die weißen Stellen zeigen deutlich die kontaktlosen Stellen. Die Erwärmung wird hier durch spezielle Blitzlampen erzeugt.

Bild 7

Unterschiedliche Porosität (Reflexionsverfahren)
Veränderung der Porosität kann viele Ursachen haben, wie beispielsweise Alterungsprozesse. Werkstoffveränderungen in Form von Dichteänderungen lassen sich, wie die Abbildung 7 zeigt, deutlich feststellen. Auch hier wurden spezielle Blitzlampen zur Erzeugung eines Energiepulses eingesetzt. Wie bei den Beschreibungen der Anwendungsbeispiel angedeutet, sind unterschiedliche Möglichkeiten der Energiepuls-Erzeugung möglich oder sogar erforderlich. Dies hängt sehr von der jeweiligen Aufgabenstellung ab. So kann dem Prüfling die Energie durch Blitzlampen, IR-Lampen, Halogenlampen oder Heißluft zugeführt werden.

Die Auswahl der Energielieferanten hängt im wesentlichen von der Wärmeleitfähigkeit des zu prüfenden Materials und der Geometrie des Prüflings ab.

Nun sind diese eben beschriebenen Anwendungen in Labors mit immer gleichbleibenden Randbedingungen und für das jeweilige Meßproblem speziell entwickelten Meßaufbauten durchgeführt worden. Und zwar sehr erfolgreich. In der vorbeugenden Instandsetzung ist jedoch mit solchen Randbedingungen in aller Regel nicht zu rechnen. Somit bleibt als nächster Schritt die Anpassung an die Problemstellungen der vorbeugenden Instandsetzung.

Adaption an die Erfordernisse der vorbeugenden Instandsetzung

Die prinzipielle Funktionsbeschreibung der Impulsthermografie und die drei Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Zerstörungsfreien Materialprüfung, sollten dem Leser sowohl die wichtigsten physikalischen Meßprinzipien verdeutlichen als auch die Anwendungsmöglichkeiten umreißen.

Gleichzeitig soll der Leser durch die Beispiele ermuntert und angeregt werden, sich über noch ungelöste oder schlecht gelöste Probleme in seinem täglichen Arbeitsbereich - der vorbeugenden Instandsetzung - Gedanken zu machen, inwieweit die Impulsthermografie ein probates Inspektionsverfahren darstellen könnte.

Unser Büro arbeitet z. Z. daran, Anwendungen der Impulsthermografie aus der ZfP, für Problemstellungen der vorbeugenden Instandsetzung zu adaptieren.

So sind wir augenblicklich dabei, in einem großen Chemiekonzern Materialabtragungen an Rohrverzweigungen von Produktleitungen anhand der Impulsthermografie rechtzeitig festzustellen. Dabei ist viel Pionierarbeit zu leisten. Das Meßprozedere soll schnell, effizient, zuverlässig, reproduzierbar und vergleichsweise einfach zu handhaben sein.

Im gleichen Konzern werden wir in Kürze auch erste Versuche unternehmen, Ablösungen von innenliegenden Keramikschichten an Behältern von außen festzustellen. Dies soll in enger Zusammenarbeit mit der MTU München geschehen.

Weitere Aktivitäten sind im Ultraleichtflugzeugbau, bei Windkraftwerken (Windräder) und im Schiffsbau geplant.

Die Innovation lebt vom Gedankenaustausch und kundmachen von noch zu lösenden Problemen. Vielleicht konnte dieser kleine Streifzug durch die Impulsthermografie den einen oder anderen Leser anregen, durch spezielle Anwendungsverfahren der Thermografie, Problemstellungen in seinem täglichen Arbeitsbereich, der Instandhaltung, anzugehen.

Anschrift des Autors:

Dipl.-Phys. Jürgen Bader
Schaezlerstrasse 38, 86152 Augsburg
Telefon: 0821-34779-21
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