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Einleitung Meßprinzip Die Objektbeleuchtung Scher - Optik Bildverarbeitung, FringeAnalysis Belastungsverfahren Scher-Winkel / Scher-Richtung Oberflächenqualität der Prüfobjekte Und Anforderung an Die Objektbeleuchtung Anwendungsspektrum Sandwichstrukturen: Monolithische Faser-Verbund-Werkstoff-(FVW) -Strukturen Geklebte Metallstrukturen Korrosion Zusammenfassung Beleuchtung - Belastung - Bewertung Literatur

Gehalten anläßlich der DGLR Jahrestagung 5.-8.Oktober 1998 Bremen
Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 1998

Einleitung

Schon Ende der 70er Jahren wurde die Scherografie von Mitarbeitern der damaligen VFW-Fokker Versuchsanstalt als bildgebendes Prüfverfahren für Leichtbaustrukturen auf der Hannover Messe vorgestellt [1]. Seinerzeit mußte aber noch auf Basis konventioneller Holografieaufnahmesstechnik gearbeitet werden. Dies bedeutete eine so große Restriktion, daß der Schritt in die praktische Prüfanwendung nicht gemacht wurde. Ende der 80er Jahre erschien die Firma LTI, Norristown auf dem amerikanischen Markt mit einer ganzen Kompaktgeräteserie für die Flugzeugwartung und erregte auch in Europa mit ihrer neuen Generation der Aufnahmetechnik aufsehen. Schon lange war die Electronic Speckle Pattern Interferometry ESPI oder Digital Speckle Pattern Interferometry DSPI (was letzten Endes das gleiche bedeutet) in Gebrauch: die Hologramm-Photoplatte im holografischen Interferometrie( HI)-Verfahren ist dabei durch ein CCD-Element, also eine Fernsehkamera, ersetzt worden. Die Kamera erreicht zwar nicht Filmauflösung (weder räumlich noch bzgl. Kontrast), aber der Ablauf kann in Realtime beobachtet werden, Photolaborarbeit entfällt. ESPI reagiert vergleichsweise störempfindlich auf Umwelteinflüsse, an Einsätze im Luftfahrtbereich und speziell für InService-Inspektionen war nicht zu denken. LTI setzte nun CCD-Kameras bei der Scherografie ein und kombinierte die Objekt-Belastungseinheit mit dem Sensorkopf einschließlich Beleuchtungslaser. Angeregt durch LTI's Engagement wurde daraufhin in den NDT-Abteilungen der europäischen Flugzeughersteller eine ganze Serie von Entwicklungsprogrammen begonnen, um die Scherografie zur Applikationsreife zu bringen. Ein entscheidender Schritt zur Akzeptanz fehlte nämlich noch: Noch waren die "Scherogramme" auf LTI's Bildschirm sehr unansehnlich und schwer interpretierbar. Bereits in Entwicklung befanden sich akzeptable Fringeanalysismethoden für die Streifenauswertung in HI, DSPI/ESPI und Moir6, die sich dann in einem DASA Forschungsprogramm auch hervorragend für Scherografie nutzbar zeigten. Bedeutung hat hier vor allem das Phasenschiebeverfahren, das als zeitsequentielles Verfahren die Realtimefähigkeit der Scherografie wieder zunichte macht, in Zukunft wird durch Parallelaquisition der verschiedenen Phasen auch dieses Problem beseitigt werden können.

Meßprinzip

Die Scherografie ist ein interferometrisches Meß/Prüfverfahren: Oberflächenverformungen werden durch Laufzeitmessung des Lichtes gemessen. Die generelle Messmethode von HI, ESPI und Scherografie arbeitet wie folgt: Vom Prüfobjekt reflektiertes Licht einer kohärenten Laserlichtquelle wird mit einem ebenfalls aus dieser Lichtquelle abgeleiteten Referenzstrahl verglichen. Durch die Überlagerung variiert die Intensität der Summe beider Strahlen sinusförmig zwischen hell und dunkel mit der Periode der Lichtwellenlänge, wenn sich der Abstand des Prüfobjektes zum Meßinstrument ändert. Bei der flächenhaften Nutzung dieses Effektes

• Beleuchtung der Prüffläche mit Laserlicht,
• Abbildung des Objektes mit Linsen auf Hologrammplatte oder Videokamera, die gleichzeitig vom Referenzlicht beleuchtet wird

entsteht ein Hologramm bzw. ein Specklebild. Die Überlagerung zweier solcher Bilder, aufgenommen bei verschiedenen Belastungen und damit einhergehender unterschiedlicher Verformung, ergibt ein Interferenzlinienmuster. Der Abstand zwischen zwei Linien entspricht der Verformungsdifferenz von einer Lichtwellenlänge. Bei ESPI und Scherografie geschieht die Überlagerung im Rechner, bei HI als Doppelbelichtung auf der Photoplatte.

Der Referenzstrahl bei HI und ESPI kommt normalerweise mit dem Prüfobjekt bzw. der Prüfregion nicht in Berührung. Damit stören während der Aufnahme der beiden Lastzustände schon kleinste Relativbewegungen zwischen Kamera/Hologrammplatte und Prüfobjekt, erst recht bei Anwendung der Phasenschiebetechnik, wo zeitversetzt üblicherweise 2 Sets à 4 Aufnahmen gemacht werden.

Scherografie dagegen vergleicht zwei gegeneinander leicht verschobene (engl. sheared) Objektbilder, d.h. eins der Bilder ist Referenz für das andere oder umgekehrt. Objektstrahl und Referenzstrahl werden beide von dicht nebeneinanderliegenden Punkten auf dem Prüfobjekt gewonnen und unterliegen dadurch nahezu simultan den gleichen Störungen. Dies macht den entscheidenden Unterschied für die zfP-Praxis: Das Gesamtsystem reagiert wesentlich unempfindlicher gegenüber Vibrationen/ Störungen. Art und Bedeutung der Interferenzmuster unterscheiden sich von der bei HI und ESPI erzeugten "Fringes" (engl. für Streifenmuster): HI/ESPI gibt die absolute Verformung zwischen den Lastzuständen wieder, Scherografie bildet in Scherrichtung den Gradienten der Verformung ab (typische Doppelringsysteme).

Die enge Nachbarschaft von Objekt- und Referenzstrahl bei der Scherografie ergibt einen weiteren Vorteil: selbst bei Großflächenprüfung muß im Gegensatz zu HI/ESPI die Kohärenzlänge des Beleuchtungslichtes nicht größer als einige Zentimeter sein, da die Lichtwege nur wenig differieren: dies reduziert die Qualitätsanforderungen für den Laser drastisch.

Die Objektbeleuchtung

Zur Beleuchtung des Prüfobjektes dient kohärentes Licht Bedingung für Interferenz), üblicherweise Laserlicht. Als Lichtquelle dient je nach Anwendungsfall z.B. ein vergleichsweise starker Argon Ionen Laser im sichtbaren grünen Spektralbereich, Nachteil sind Größe, Notwendigkeit der Wasserkühlung, empfindliche Justierung etc. Kompakter sind luftgekühlte Dioden-gepumpte, Frequenz-verdoppelte NDYAG Laser, die weniger Justage benötigen; im mobilen Betrieb können sie auch ohne Lichtleitfaser direkt zur Beleuchtung herangezogen werden. (Leistungsbereich für kompakte NDYAG-Laser bis ca. 1W bei 514 nm). HeNe-Laser zeichnen sich bei kleiner Leistung im sichtbaren roten Bereich durch geringen Preis aus. Sie werden häufig für kleinflächige Scherografiean-wendungen eingesetzt. Auch sie benötigen normalerweise keine umfangreiche Justage. Am einfachsten sind Laserdioden anzuwenden, soweit sie leistungsmäßig ausreichen und in der Strahlqualität zufriedenstellen. Dahier auf Grund der Physik vornehmlich IR Laserdioden mit ausreichenden Leistungsdaten verfügbar sind, müssenerhöhte Sicherheitsanforderungen gegenüber dem Bedienungspersonal eingehalten werden. Mit Laserdioden lassen sich Beleuchtungsarrays aufbauen, die neben der Leistungserhöhung auch gleichmäßige Ausleuchtung erlauben.

Für manche Anwendungen kann ein modulierter Laser oder ein Pulslaser notwendig sein, z.B. bei Vibrationsbelastung. Dieser muß mit der Vibrationsanregung synchronisiert sein, um die für die Phasenschiebetechnik notwendigen Bilder gleicher Belastung aber unterschiedlicher Referenzphase exakt aufnehmen zu können, da es sonst zu Dekorrelationen kommen kann. Eine Kopplung mit der Capture - Rate der Bildverarbeitung muß nicht sein, sonst ist eine entsprechende Hard- und Softwaremäßige Verknüpfung von Beleuchtung und Aufnahmeeinheit notwendig. Die Entkopplung von Beleuchtung und Aufnahmesystem ist aber ein Vorteil der Scherografie.

Das Licht der Lichtquelle muß durch eine Optik auf geweitet werden, Laserdioden machen eine spezielle anamorphotische Optik notwendig, um die stark elliptische, fast linienförmige Strahlform aufzuweisen. Die bei größeren Lasern notwendige Verbindung von Optik und Laser mit Faseroptiken führt zur Verstärkung des Gauß'schen Strahlintensitätsprofils, Schwierigkeiten bei der Objektausleuchtung an Objektoberflächen, die nicht ausreichend diffus reflektieren (sogenannten nicht kooperativen Oberflächen), sind die Folge.

Gerade die Optimierung der Beleuchtungstechnik für z.B. schwarze Oberflächen von CFK oder blanke Oberflächen bei Metallen sind Schwerpunkt des laufenden Entwicklungsvorhabens der DASA Airbus mit dem Bremer Inst. f. angew. Strahltechnik (BIAS) in Bremen.

Scher - Optik

Vor die Kamera montiert, ist ein optisches Element kennzeichnend für die Scherografie: Das Element zur Bildung des Doppelbildes (Scherelement): Es existieren verschiedene Wege: LTI verwendet überwiegend ein Wolleston Prisma, dessen einfache und kompakte Konstruktion aber die Variation des Scherwinkelbetrages ausschließt. Gleiches gilt für das von Ettemeyer [2] vorgeschlagene Knickspiegelsystem. Hung [3] zeichnet in seine Skizzen immer ein Keilprisma, das die Hälfte des Strahlenkater überdeckt, weiterhin sind Doppelkeilprismen, Doppeloptik, doppelbrechende optische Körper etc. verwendet worden. BAE, FOKKER, TU Delft, IABG, DASA, Steinbichler, SINTEF benutzen alle ein modifiziertes Michelson-Interferometer; es hat sich als universell einstellbares Scher-Element besonders bewährt. Scher-Richtung, Scher-Winkel und Phasenschiebung für das Phasenschrittverfahren zur Fringe-Analysis sind variierbar. DASA / Bremen benutzt ein von Pfister/IABG(Vertrieb Steinbichler) entwickelte lnterferometeranordnung mit fokussierenden Spiegeln, bei der die Videokamera (KODAK Mega plus mit 1024x1024 Pixeln) ohne Zwischenlinse direkt angekoppelt werden kann. Der extrem kompakte Kopf kann an tragbare Belastungseinheiten (Vakuumkammern, Thermoblitz etc.) montiert werden.

Bildverarbeitung, FringeAnalysis

Die komplizierte Interpretation der Meßergebnisse interferometrischer Prüfverfahren ließ Anwender früher zurückschrecken: lnterferenzringmuster sind nicht eindeutig - die Verformungsrichtung ist nicht explizit ersichtlich, die Defektstellen sind z.T. für "Nichtspezialisten" nicht deutlich erkennbar (z.B. nur eine winzige Zacke auf einer verrauschten Interferenzlinie). Können auf einer Hologrammplatte bei bewegter Betrachtung im Laserlicht bestimmte Details noch entschlüsselt werden, bleibt das auf dem Abbild des Hologramms auf Papier oder auf Bildschirm verborgen.

Bild 1: Fringeanalysis der Phasenstufenmethode: Schritt 1: herkömmliches Specklediffernzbild ohne Anwendung der Phasenschiebemethode Schritt 2: Phasendifferenzbild errechnet aus je 4 Phasen zweier Lastzustände; mit SmootingFilter behandelt Schritt 3: Demodullertes ("unwrapped") Phasenbild mit Grundverformungsanteil (Aufhellung rechts Schritt 4: Resultat nach Anwendung einer Gradientenbildung: Feinstruktur der Wabe erscheint, überlagerte Grundverformung ist verschwunden.

Einsatz hochwertiger Fringeanalysis macht den europäischen Weg der Scherografie aus (benutzt z.B. bei DASA, IABG, FOKKER, AEROSPATIALE, BAe), während man im amerikanischen Raum, dominiert von LTI, vorwiegend die simple Interferenzlinienbild(Fringes)-Auswertung anwendet. "keep it simple" - so wird dort auch auf Einstellbarkeit diverser Parameter (z.B. Scherbetrag) verzichtet, die Bildverarbeitung wird gegen den Bediener abgeschottet, nachträgliche Bildbearbeitung ist unmöglich.

Bild 2: Darstellung der Aufgaben im OPAL-Projekt

Bild 3: Scherografiesystem

Bild 4: Typische Fehlermöglichkeiten für ein Sandwich-Bauteil

Bild 5: Beispiel: Prüfung A310 - Ruderschale

Prinzipiell kann ein erfahrener, gut geschulter Prüfer schon aus dem Realtime-Interferenzlinienbild Fehlerorte erkennen. Hochwertige Fringeanalysis ermöglicht jedoch selbst dem wenig geschulten Auge die Interpretation; bei komplexen Bauteilgeometrien erlaubt erst Bildbearbeitung eine eindeutige Unterscheidbarkeit zwischen Struktureinflüssen und Fehleranzeigen.

Verschiedene Ansätze maschineller Interferenzstreifenbearbeitung sind im Laufe der Jahre gemacht worden [4]. Das Phasenschiebeverfahren hat sich wegen seiner eleganten Rechnerimplementation am weitesten verbreitet. Beim Phasenschiebeverfahren befindet sich in einen Ast des Strahlenganges ein phasenschiebendes Element. Beispielsweise wird beim Michelson lnterferometers ein Spiegel durch einen spannungsgesteuerten Piezoaktuator im Bereich einer Lichtwellenlänge in 3 oder 4 Stufen verschoben. Dabei nutzt die 4 Phasenmethode den Rechner besser aus, jedes Bild wird nur einmal verrechnet und blockiert nach Bearbeitung keine Rechenregister - es spart Ressourcen und Rechenzeit:

• 3 Schrittmethode mit 90' Phasenschiebung und 45' Startwert
  (= arctan ((I3-I2)/(I1-I2)))
  Ix: 3 Bitmaps mit unterschiedlichen Phasen
  
• 4 Schrittmethode mit 90' Phasenschiebung und 0' Startwert (= arctan ((I4-I2)/(I1-I3)))
  Ix: 4 Bitmaps mit unterschiedlichen Phasen
  

Statt einer nicht eindeutigen sinusförmigen lntensitätszuordnung des Verformungsintervalls _Licht entsteht nun ein in jedem Punkt eindeutiger Rampenverlauf der Verformungs- LUT (LookUp-Table). Noch bleibt die modulo 2 (modulo _Licht) Eigenschaft der LUT erhalten.

Das Ergebnis der Rechnung ist häufig stark verrauscht. Verschiedene Effekte sind dafür verantwortlich, deren einzelne Beseitigung sicher wünschenswert wäre, aber durch die technischen Gegebenheiten unbeeinflußbar bleiben: Die endliche Orts- wie Amplitudenauflösung der CCD's, die begrenzte Rechenbreite der ALU's in der Bildverarbeitung erzeugen Quantisierungsrauschen, speziell bei über- oder untersteuerter Beleuchtung (z.B. bei stark reflektierenden Flächen). Luftturbulenzen, Vibrationen, Belastungsänderungen ergeben Dekorrelationen und erzeugen Rauschen.

Ein Smoothing-Filter verbessert das Bild für die nächsten Arbeitsschritte. Es läßt sich elegant wie folgt realisieren: Das Phasensignal wird mit LUT's erneut in SIN und COSIN Signale aufgesparten. Über jeden Kanal läßt man ein Tiefpaß-, Mittelwert- oder Medianfilter laufen und kombiniert danach beide Kanäle mit LUT's (ARCTAN-LUT die auch beim Phasenschieben benutzt wird) wieder[5,6]. Ein nächster, häufig "Unwrapping" bezeichneter Demodulationsschritt beseitigt die modulo 2Struktur der LUT, sie liegt danach als Funktion des Verformungsgradienten in Scherrichtung vor. Diese LUT wird praktischerweise als Grauwerttabelle codiert, physiologisch erzeugt dies einen quasi 3D Eindruck. Zur Entfernung eines Ganzkörperdeformationseinflusses kann ein Tiefpaß gefiltertes Bild subtrahiert oder eine Gradientenbildung nachgeschoben werden.

Das Unwrapping ist ein sensibles Softwarethema, unterschiedliche Methoden führen zu verschiedenem und teilweise unerwünschten Verhalten in Bereichen mangelnder Phasensignaldynamik und bei Specklerauschen. Rein zeilenweise arbeitende Demodulationsverfahren versagen am schnellsten. Graphentheoretisch arbeitende Methoden haben geringere Probleme mit unvollständigen oder vertauschten Interferenzlinien.

Nachteilig für das seriellen Phasenschrittverfahrens ist, daß während der 3 oder 4 Phasenaufnahmen je Lastzustand Beleuchtung und Objekt stabil und vibrationsfrei verharren müssen (3 bis 4 Videotakte). Systeme mit parallel arbeitenden Kameras (mit Phasendrehoptiken) sind in der Entwicklung (Universität Delft), die zeitlich parallele Aufnahme von 4 räumlich phasenverschobenen Specklebildern behebt dieses Problem. Solch ein System bedarf allerdings eines sehr sorgfältigen Designs, die Justierprozeduren der optischen Wege sind funktionsentscheidend. Neuere Entwicklungen an der TU Delft zeigen, daß die geschickte Wahl optischer Elemente manche Variable ausgeschaltet werden kann und eine Abbildung von 4 Phasenbildern auf 2 Standardkameras (756 X 581 Pixel) und zukünftig auf 1 Kamera mit 1024x1024 Pixel möglich ist. Die volle Realtimefähigkeit einschließlich Unwrapping macht eine sehr schnelle Bildverarbeitung notwendig, aber schon die Realtime-Beobachtung nur des Phasenbildes nach dem Smoothing z.B. bei Vibrationsanregung als Belastungsmethode, ergibt einen gewaltigen Fortschritt.

Belastungsverfahren

lnterferometrische NDT-Verfahren vergleichen Belastungszustände, um aus der resultierenden Verformungsänderung Schlüsse auf Struktur und Fehlstellen/ Defekte zu ziehen. Auf das Bauteil einwirkende Belastungen sollen zu nennenswerten reversiblen Verformungen führen.

Einfachstes Belastungsverfahren ist die Bauteilerwärmung. Mit Föhn, Lampen, IR-Strahlern, Blitzlampen kann je nach Einsatzfall eine große Palette von Prüfproblemen abgedeckt werden. Wärmebelastung ergibt meist ausreichend stabile Lastzustände (Laständerung klein gegenüber 4 Videotakten) für das Phasenschiebverfahren. Jedoch ist ein Effekt nicht zu unterschätzen: Thermische Belastung ist kurzfristig nicht reproduzierbar zu wiederholen. Ein nach jedem Heizzyklus verändertes Grunderwärmungsprofil des Bauteils variiert auch dessen Verformungsverhalten von Aufnahme zu Aufnahme. Da die thermischen Ausgleichsprozesse langsam ablaufen, müssen auch sehr lange Intervalle zwischen den Prüfungen liegen, soll eine Aufheizphase exakt wiederholt werden.

Druck- oder Vakuumbelastung sind Verfahren ausreichender Lastkonstanz für die Phasenschrittmethode und bieten gute Reproduzierbarkeit in kurzen Zeitintervallen. Der apparative Aufwand ist ungleich höher als bei thermischer Belastung. Vakuumerzeugung durch Ejektordüsen aus vorhandenen Preßluftquellen ist simpel und fast überall machbar. Schwieriger ist das Druckkammerproblem zu lösen: Die "Eimer"Lösung - fest verbunden mit der Optik, einseitig aufsetzbar auf das ist bei begrenzter Handlichkeit eingeschränkt in der Anwendung: Ränder/ Kanten bleiben unprüfbar, Dichtprobleme entstehen bei gekrümmten Bauteilen. Eine Kammer zur Aufnahme kompletter Bauteile ist ungleich teurer, hat zwar keine Probleme mit Kanten und Krümmungen, kann aber nur Fehlertypen in Bereichen ohne Druckausgleich finden (z.B. bei geschlossenen Hohlräumen).

Vibrationbelastung ist ebenfalls für eine Reihe von Anwendungfällen attraktiv, speziell wenn Realtime-Beobachtung möglich ist. Bisher ist das noch eine Domäne der Scherografie ohne Phasenschiebetechnik. Die serielle Phasenstufentechnik benötigt eine stabile Belastung innerhalb der 4 Videotakte, bzw. die Lastamplitude muß für alle 4 Phasenaufnahmen exakt gleich also synchronisiert sein. Stroboskopische Beleuchtung, synchronisiert mit dem Vibrationserreger, kann hier Abhilfe schaffen. Generell notwendig sind dafür ein periodisches Anregungssignal für den Shaker, ein Schwellwertschalter zur Triggerung von Shutter, Laserpuls oder akustooptischer Modulator, ein Impulslaser oder ein Dauerstrichlaser mit Strahlmodulator oder Highspeed Shutter vor der Kamera und bedingt eine Synchronisierbarkeit der Framegrabler Software.

Weitere Belastungsmöglichkeiten sind Impact-Belastung, Biegebelastung, Zug/Druckbelastung. Vereinzelt wurden sogar Bauteile mit Strom durchflutet, um eine innere Bauteilerwärmung und dadurch Verformung zu verursachen (angewandt z.B. bei CFK).

Scher-Winkel / Scher-Richtung

Die Scherrichtung beeinflußt die Detektierbarkeit bestimmter Fehlerorientierungen. Sie bestimmt die Differenzierungsrichtung der Verformung. Bestimmte Fehlertypen benötigen eine abgestimmte Scherrichtung. Die Einstellbarkeit der Scherrichtung ist bei allen Systemen gegeben und stellt eine notwendige Einstellgröße dar.

Die Justierbarkeit des Scherwinkelbetrages ist nicht selbstverständlich, viele Systeme legen den Scherwinkel auf Grund vorgegebener Scheroptiken fest. Die Variation des Scherwinkels ermöglicht die Anpassung der Differenzweite der interferierenden Strahlen an Prüfteilgegebenheiten. Es zeigen sich in der Anwendung aber auch Einstellgrenzen: zwischen 2mm und 20 mm Scherdistanz gemessen am Objekt liegt der vernünftige Wertebereich. Bestimmte Objektdetails lassen sich durch Abstimmung des Winkelbetrages hervorheben/unterdrücken.

Oberflächenqualität der Prüfobjekte und Anforderung an die Objektbeleuchtung

Art der Ausleuchtung und Reflexionseigenschaften des Prüfteils haben einen entscheidenden Einfluß auf die Qualität der Prüfergebnisse. Im Zusammenspiel beider Faktoren soll eine über die gesamte Abbildungsfläche gleichmäßige Kontrastdynamik erreichbar sein. Eine überall gleich gut diffus reflektierende (kooperative) Bauteiloberfläche ist dafür optimal. Eine polierte weiße Lackoberfläche ist dagegen ebenso ungeeignet wie völlig schwarze Flächen (nichtkooperativ). Verschärft gilt das für Laserlicht aus aufgeweiteten Punktquellen, die bisher übliche Beleuchtungsweise, mehr noch bei Monomode-Faseroptiken, die für die räumlichen Trennung von voluminösen Lasern und kompakten beweglichen Scherografie- Aufnahmesystemen benutzt werden. Wenn üblicherweise schon der Laser eine Gauß'sche Lichtverteilung hat, wird dies in Faseroptiken noch verstärkt. Fällt das gauß verteilte Licht auf eine spiegelnd reflektierende Fläche, wird die Kamera hoffnungslos im Zentrum übersteuert und bekommt am Rand viel zu wenig Licht.

Der Optimierungsprozeß solcher gravierend ungleicher Intensitätsverteilung kann von beiden Seiten aus geführt werden. Üblicherweise wird versucht, die Oberfläche matt weiß zu machen, hierzu dient meist weißes Farbeindring-Entwicklerpulver. Aber überwiegend soll die Oberfläche nicht verunreinigt werden, speziell nicht in Produktionsumgebungen. Also muß man auch auf der Beleuchtungsseite und der Kameraseite nach Lösungen suchen. Mehrere Möglichkeiten werden vorgeschlagen und im laufenden OPAL Projekt untersucht:

• Verwendung von Diffusoren, bei der DASA wurden z.B. holographische Diffusorfolien der Firma Physical Optics Corporation untersucht, aber die Kohärenz wurde bei den getesteten Folien zu stark gestört: gute Ausleuchtung, aber kaum noch auswertbare Fringes.
• Kippen des Beleuchtungsstrahles, so daß nicht direkt reflektiertes sondern nur diffus gestreutes Licht zur Aufnahmeoptik gelangen kann,. Prinzipiell funktioniert diese Methode, die Intensität des diffus reflektierten Lichtes ist aber um ein Vielfaches geringer, so daß die Leistung der Beleuchtungsquelle mehr als verzehnfacht werden muß.
• Verwendung von mehreren Lichtquellen. Diese unter vordergründigen Koherenzgesichtspunkten etwas befremdliche Lösung ist tatsächlich ein eleganter Ausweg.
• Einerseits läßt sich das Licht über Beamsplitter und Faseroptiken trennen und verteilen. Dabei dürfen die verschiedenen Lichtäste nicht mehr kohärent sein, sonst entstehen ungewollte Interferenzmuster in den Überlappungsbereichen. Unterschiedliche Faserlängen der verschiedenen Lichtlaufwegen (Wegdifferenz größer als Laserkoherenzlänge) gewährleisten das.
• Eleganter ist die Verwendung separater Laserdioden. SINTEF (Norwegen) z.B. verwendet ein Array aus 4 IR-Laserdioden (ca.780 nm Wellenlänge, je 10 mW Leistung). Anamorphotische Optiken entzerren die einzelnen elliptischen Strahlenbündel. Als 4 relativ gleichmäßig ausleuchtende Streifen auf dem Objekt werden die Strahlen nebeneinander justiert. Weder Temperaturregelung noch hochwertige Stromstabilisierung ist für die Laserdioden notwendig. Bzgl. der Wellenlänge sollten sie nicht besonders übereinstimmen. Jedes Beleuchtungssytem reagiert als eigenes Scherografiesystem unabhängig vom anderen. Es ergibt sich eine äußerst kompakte, robuste Einheit mit der Scheroptik. Die Verwendung von IR-Licht fordert erhöhte Vorsicht und Sicherheitsanforderungen - bringt dabei den Vorteil, z.B. bei hellem, gelbem Umgebungslicht arbeitet zu können.

Weitere Möglichkeiten, das Problem der Ausleuchtung zu verbessern sind

• der Einsatz spezieller Linsensysteme Von der Firma Steinbichler Optotechnik wird eine spezielle DeGaussing-Linse hergestellt, die durch einen besonderen Schliff eine gleichmäßigere Verteilung des Lichtes erreichen soll. Eingesetzt wir dieses Linsensystem bereits in der Reifenindustrie in den Scherografiesystmen für QS fertiger Reifen.
• die Nutzung von Polarisationsfiltern Mit Polarisationsfiltern wurden ebenfalls schon gute Ergebnisse erzielt. Sie dienen dazu, Streulicht von direkten Reflexionen zu separieren. Da nur das Streulicht für die Scherografische Messung interessant ist,

Anwendungsspektrum

Sandwichstrukturen:
Bei CFK-Nomex-Wabenstrukturen ist eine Vielzahl von Schadenstypen mit Scherografie prüfbar, weil die Struktur bei Schäden signifikant an Steifigkeit verliert. Schadenstypen, die mit Scherografie gefunden werden können, sind z.B. Ablösung der Deckhaut, auch der rückwärtigen Deckhaut. Druckschäden der Wabe selbst wenn die Deckhaut unbeschädigt erscheint, sind ebenfalls erfaßbar. Beide Fälle zählen zu den einfachen Prüfaufgaben. Weit bedeutender sind das Auffinden von Wasser in Wabenstrukturen als In Service-Prüfaufgabe sowie das Detektieren von Schäden in reparierten Wabenstrukturen.

Monolithische Faser-Verbund-Werkstoff-(FVW) -Strukturen
Bei monolithischen FVW's hängt die Detektierbarkeit von der Fehlertiefe im Verhältnis zur Bauteildicke ab. In dünnen Strukturen ist das Auffinden von Delaminationen, lmpactschäden u.ä. relativ problemlos. In dickeren (steifen) Bauteilen lassen sich nur oberflächennahe Schäden gut sichtbar machen, tieferliegende verformen die Oberfläche bei Belastung nicht ausreichend und bleiben unsichtbar. Scherografie ist trotzdem für eine Reihe von Fällen bei monolithischen FVW brauchbar: Bei Anwendung des Phasenschrittverfahrens und anschließender Demodulation treten innere Bauteilstrukturen deutlich sichtbar hervor (Steifigkeitssprünge) und lassen sich gut von Fehlerbereichen unterscheiden.

Geklebte Metallstrukturen
Geklebte Metallstrukturen sind in vielen Bereichen moderner Flugzeuge zu finden. Beispiel für Einsatzmöglichkeiten von Scherografie ist die Prüfung von Stingerablösungen - im demodulierten Phasenbild macht sich das Klebversagen als Verschwinden des Kantensteifigkeitssprungs, also das Verschwinden einer Kontur bemerkbar. Dies gilt auch für Dopplerablösungen. In genieteten Bereichen ist die Auflösung der Kanten schwieriger zu erkennen, weil die Steifigkeitsverhältnisse auch sehr komplex sind. Nur größere Fehlerbereiche bleiben auffindbar.

Korrosion
Korrosion bedeutet Materialstärkenveriust, daher Steifigkeitsverlust. Eine prinzipielle Prüfbarkeit ist daher gegeben. Schwieriger ist eine quantitative Beurteilung der Abtragstiefe mit den bisher angewendeten Verfahren.

Zusammenfassung

Die Scherografie wurde in den letzten Jahren als In-Service- Prüfverfahren für viele europäische Luftfahrtfirmen so interessant, daß praktisch bei allen Luftfahrzeugherstellern Entwicklungsprojekte zu diesem Thema ablaufen. Bisher wurden hauptsächlich die Felder Belastungsverfahren und Fringe-Analysis bearbeitet, nachdem der prinzipielle optische Aufbau relativ simpel ist. Das Spektrum der Anwendbarkeit für Leichtbaustrukturen wurde ausgeleuchtet und neue Kamerasysteme entwikkelt. Ziel der laufenden Arbeiten Im OPAL-Projekt ist die Bereitstellung eines großflächig abbildenden Non-Kontakt- Prüfverfahrens, daß auch bei komplexeren inneren Strukturgeometrien interpretierbare Dokumente liefert.

Bisher war das Thema nichtkooperative Oberflächen aber mehr oder weniger ausgespart worden. Im Laufenden OPAL-Projekt wird nun ein spezielles Augenmerk darauf gelegt, das Scherografieprüfverfahren speziell auch für den Einsatz in der Fertigung, aber auch für die Bedingungen in der Wartungsprüfung, wo ebenfalls gemeinhin unter widrigen Licht- und Reflexionsbedingungen geprüft werden, fit gemacht wird.

Scherografie hat ihr Potential überall dort, wo Defekte Steifigkeitsänderungen nach sich ziehen, die an der Bauteiloberfläche als Deformationen unter Belastung meßbar gemacht werden können. Durch ihre Eigenart, im Unterschied zu Hi und ESPI den Referenzstrahl vom Bauteil im Prüfbereich abzunehmen hat die Scherografie eine Unart der interferometrischen Prüfverfahren stark reduziert: die Vibrationsempfindlichkeit. Damit hat sie sich das Tor zur zfP weit aufgestoßen.

Mit der Videotechnik konnte sich die Scherografie einen ernsthaften Platz unter den anwendbaren modernen zfP-Techniken erkämpfen. Durch Einführung der Fringeanalysis als Bildbearbeitungsmethode zur Aufbereitung der Interferenzstreifenbilder ist ein weiterer Meilenstein in der Akzeptanz dieser Technik erreicht worden.

Ein wichtiges Problem bleibt die Auswahl und das Einbringen der Belastung, da die Abstimmung der Parameter entscheidend von der Konstruktion des individuellen Bauteils abhängt. Die entscheidenden Entwicklungs-punkte der Scherografie kann man mit 3 B's beschreiben:

Beleuchtung - Belastung - Bewertung
Bei der Beleuchtung ist noch einiger Entwicklungsaufwand nötig, um Gleichmäßigkeit zu erreichen. Bei der Belastung sind noch umfangreiche Parameterstudien zu machen, um reproduzierbar prüfen zu können. Die Menge der Variablen ist relativ groß, wenn einfach anwendbare Belastungsmethoden benutzt werden sollen (z.B. thermische Belastung.) Die Bewertung schließt die Aufbereitung der Daten mit ein. Auch bei Demodulation, Filterung, Unwrapping sind noch einige Punkte zu verbessern und Erfahrungen zu gewinnen; im Fall der Realtime Phase Stepping Scherografie ist noch umfangreichere Arbeit zu leisten.

Literatur

1. Malek,S, (DASA):Speckle-Schering-Moirè-Prinzip als Prüfmethode zur Erkennung von Fehlern in FVW, Vortag zur Hannover Messe 1979
2. Ettemeyer A., Honiet, M.: Neuer optischer Aufbau für kombinierte TV-Holographieund Scherografie Anwendungen, Laser 93 , München, S. 1 81-184
3. Hung,Y.Y.: Shearography: A New Optical Method fot Strain Measurement and Nondestructive Testing, Opt. Eng. S. 39 1-395, May/June 1 982
4. Kreis, Th., Osten, W.: Automatische Rekonstruktion von Phasenverteilungen aus Interferogrammen Techn.Messen 58(1991) 6 S.235..246 Kreis, Geldmacher, Jüptner: Phasenschiebeverfahren in der interferometrischen Meßtechnik, ein Vergleich. Laser 93, München, S. 1 19-12
5. Lühring, B.-W.:Special filter method for reducing speckle noise in saw tooth phase images; in Jüptner/ Osten, Fringe '93, Akademie Verlag, S.361..366
6. A.J.P. van Haasteren: Realtime Phase Stepped Speckle Interferometry, Dissertationsschrift Uni Delft (NL),1994 Langer/Steinbichler
   Langer,DASA, Steinbichler/Steinb.Opt.:Erfahrungen mit Scherografie an Komponenten der Luft- und Raumfahrt, DGZFP-Jahrestagung 1 993, Garmisch-Partenkirchen
   Bisle W.J.; Scherling D.; Tober G.: Phase Stepping Scherography for Testing Commercial Aircraft Structures Rev. of Prog. in QNDE, Seattie 94 Vol. 15 Bisle, W.J., Sherling, D., Tober, G.: Anwendungserprobung der Scherografie für die Prüfung von Airbus Flugzeugstrukturen, DGZFP Jahrestagung, Aachen 1995
   Kalms, M.K.; Osten, W.; Scherling, D: OPAL Optische Prüfung an Luftfahrtkomponenten, Voruntersuchungen zur großflächigen und zerstörungsfreien Prüfung von Flugzeugkomponenten unter besonderer Berücksichtigung fertigungsüblicher Oberflächen; 1. Zwischenbericht zum BMFT-Forschungsvorhaben 20W9706/06, Bremen, 12.2.98