DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Fortschrittliche Shearografie Prüftechnologien für Composite Strukturen

Andreas Ettemeyer, Thomas Walz und Stefan Keil
Dantec Ettemeyer GmbH, Kässbohrerstr. 18, 89077 Ulm
Kontakt: Dr.-Ing. Andreas Ettemeyer

Von der Laboreinrichtung zur industriellen Reife

Das Prinzip der Shearografie ist seit den 70er Jahren bekannt. Seine Anwendung für messtechnische Aufgaben war damals nur mit speziellen Laboreinrichtungen möglich und erforderte beträchtlichen Aufwand. Beides stand einer breiten Anwendung der Shearografie im industriellen Umfeld im Wege. In den letzten Jahren jedoch hat sich durch intensive Entwicklungsarbeit unter Nutzung der inzwischen im Rahmen unserer modernen Technologie entstandenen Hilfsmittel das Bild gewandelt. Die Möglichkeiten der digitalen Bildverarbeitung sowie die Verfügbarkeit schneller Prozessoren und leistungsfähiger Speicherelemente haben zu industrietauglichen Geräten geführt, die sich bereits im industriellen Umfeld bewährt haben. So sind die auf der Basis der Laser-Shearografie von der Ettemeyer AG entwickelten Inspektionssysteme heute in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten im Einsatz. Besonderen Auftrieb erhielten die Entwicklungsarbeiten durch die im Trend der erhöhten Energienutzung angestrebte Leichtbauweise, die zum ständig steigenden Einsatz von Verbundwerkstoffen in Flugzeug- und Fahrzeugbau geführt hat. Damit verbunden ist die Forderung nach zuverlässigen, schnellen und einfach einsetzbaren Inspektionssystemen, die zur Qualitätssicherung dieser meist sicherheitsrelevanten Bauteile aus Verbundwerkstoffen erforderlich sind.

Man kann heute feststellen, dass sich die Laser-Shearografie als äußerst leistungsfähige Inspektionstechnik bewährt hat. Sie ist wesentlich schneller als alle bekannten konventionellen Verfahren, sie ist einfach anwendbar, arbeitet flächenhaft und berührungslos und zeigt die relevanten Defekte in den untersuchten Bauteilen zuverlässig an. Dabei werden besonders die sonst unsichtbaren, unter der Bauteiloberfläche verborgenen, Strukturdefekte sichtbar.

Speckle-Bilder liefern die Informationen

Das Messobjekt wird wie aus Bild 1 ersichtlich mit einem aufgeweiteten Laserstahl beleuchtet. Das diffus reflektierte Licht wird über ein Spiegelsystem einer CCD-Kamera zugeleitet. Durch eine geringfügige Drehung des vor der Kamera befindlichen Spiegels erhält die Kamera zwei seitlich gegeneinander verschobene (gescherte) und sich überlagernde Bilder, die interferieren und ein Speckle-Bild erzeugen. Dieses Speckle-Bild enthält die Information über einen Referenzzustand der Oberfläche vor einer Verformung. Tritt nach dieser Referenzaufnahme eine Verformung der Oberfläche ein und nach dieser Verformung erfolgt eine zweite "gescherte" Aufnahme, dann führt diese ebenfalls zu einem Speckle-Bild. Die Differenz der beiden Speckle-Bilder aus dem unverformten und verformten Zustand enthält die Information über die in der Messobjektoberfläche eingetretene Verformung. Die weiter Auswertung erfolgt mit Hilfe der von der Ettemeyer AG entwickelten Software ISTA.


Bild 1: Optischer Aufbau eines Shearografiesystems

Die vom Shearografiesystem ermittelten Verformungen sind relative Verformungen der einzelnen Bildpunkte zueinander. Der ständig ausgeführte interferometrische Vergleich benachbarter Punkte der gesamten betrachteten Fläche führt zur flächenhaften Darstellung der relativen Änderung der Abstände dieser Punkte. Durch die digitale Bildverarbeitung werden Fotoplatten oder Filme überflüssig und damit auch kein Verbrauchsmaterial erforderlich.

Innere Fehler werden außen sichtbar

Für unterschiedliche Einsatzfälle stehen auch unterschiedliche Shearografie-Systeme zur Auswahl. Einerseits wurden für die Prüfung einzelner Bauteile schnelle mobile Prüfgeräte entwickelt, die an den jeweiligen Einsatzorten angewendet werden können und andererseits findet man heute stationäre automatisch arbeitende Prüfsysteme als Bestandteile industrieller Produktions- und Überwachungseinrichtungen.


Bild 2: Typische Anzeige eines inneren Defekts in Form lokaler Verformungsinhomogenitäten an der Oberfläche

Während der Prüfung mit einem Shearografie-System zur Detektion innerer Defekte an einem Bauteil aus Verbundwerkstoffen muss das Bauteil einer mechanischen Belastung unterworfen werden, die eine geringfügige Verformung der Bauteiloberfläche bewirkt. Diese normalerweise homogene Verformungsverteilung in der Oberfläche wird dort Unstetigkeiten aufweisen, wo sich unter der Oberfläche ein innerer Defekt verbirgt. Somit macht die Shearografie wie in Bild 2 gezeigt im Innern verborgene Fehler an der Oberfläche sichtbar.

Automatische Inspektionsanlagen sind schnell und zuverlässig

Rotorblätter für Helikopter sind in Verbundbauweise hergestellte sicherheitsrelevante Bauteile, deren Zuverlässigkeit mit einem qualitätssichernden Verfahren gewährleistet werden muss. Deshalb wurde für die Prüfung der Rotorblätter des Eurocopter in Paris eine automatisch arbeitende shearografische Inspektionseinrichtung installiert [1]. Die Rotorblätter werden zur Erzeugung einer mechanischen Belastung in einer ca. 10 m langen Unterdruckkammer einer relativen Druckdifferenz von bis zu 50 mbar ausgesetzt. Auf beiden Seiten es Rotorblattes wird je ein Shearografie-System am Untersuchungsobjekt entlang geführt und beobachtet die in der Oberfläche auftretenden Verformungen. Dabei erkennt das System automatisch eventuell vorhandene Defekte wie Delaminierung oder Bindefehler, die zu typischen Inhomogenitäten in der Oberflächenverformung führen.


Bild 3: Automatisches Inspektionssystem zur Prüfung der Rotorblätter des Eurocopter

Der gesamte Prüfablauf einschließlich Positionierung des Shearografie-Systems, Steuerung des Drucks in der Kammer und Auswertung der Messergebnisse erfolgt durch die einfach zu bedienende ISTRA-Software. Die Ergebnisse werden auf Monitoren angezeigt und ausgedruckt, wobei in Protokollform eine klare Angabe der Defektgröße und -position erfolgt. Zusätzlich löst die Software beim Erkennen einer Fehlerstelle ein Alarmsignal aus. Im Vergleich zu früher angewandten Prüfverfahren zur Gewährung der Sicherheit der Rotorblätter erzielt das Inspektions-System von Ettemeyer eine Zeitersparnis von 80 %. Typisch für diese Inspektionen ist das Aufdecken von Fehlern, die mit anderen Verfahren gar nicht oder nur teilweise auffindbar sind. Die Shearografie arbeitet berührungslos, materialunabhängig, flächenhaft und schnell. Prüfkosten und Zeitaufwand werden minimiert. Diese Vorteile führen zu einer ständig zunehmenden Anzahl von Anwendungsfällen. Besonders auch bei Qualitätskontrollen der Reifenhersteller und bei der Runderneuerung sind zur Zeit weltweit über 400 Shearografieanlagen im Einsatz [2].

Portable Prüfsysteme erweitern den Anwendungsbereich

In vielen Fällen wie z.B. bei Überwachungen oder beim Zusammenbau größerer System ist es nicht möglich, die zu inspizierenden Teile zu einer stationären Prüfeinrichtung zu transportieren. Für diese Zwecke wurden mobile Inspektionseinrichtungen entwickelt und erfolgreich in der Industrie eingesetzt. Sie bestehen aus einer tragbaren Vakuumhaube, die direkt auf die zu prüfende Oberfläche aufgesetzt wird und sich dort durch den Unterdruck festsaugt. Im Innern der Haube nimmt ein Shearografie-System alle Deformationen auf, die infolge des Unterdrucks entstehen. Eventuelle Bindefehler und andere Defekte zeigen sich dann in Form von Inhomogenitäten, die auf dem zum System gehörenden Monitor sichtbar sind. Beispiele für den Einsatz portabler Systeme findet man bei der Inspektion und Wartung von Rumpfkomponenten von Luftfahrzeugen. Bild 4 gibt zwei Prüfeinrichtungen wieder, bei der die luftdicht unter einer Haube eingeschlossene Prüffläche durch Unterdruck oder thermisch belastet wird. Mit diesen Systemen werden regelmäßig u.a. mit Karbonfasern verstärkte Rumpfteile von Geschäftsflugzeugen, die Ladeluke des Space Shuttles, die riesigen Radome der AWACS und Rumpfteile von Hochsee-Rettungsbooten geprüft [2].


Bild 4: Mobiles shearografisches Vakuum-Prüfsystem

Für den mobilen Einsatz der Shearografie ist einfache Handhabbarkeit, geringes Gewicht und Baugrösse entscheidend. In dieser Hinsicht wurde in den letzten Jahren erhebliches erreicht und es stehen heute Shearografiesysteme mit unterschiedlichen Belastungs- und Handhabungsvorrichtungen für die Vor-Ort-Prüfung zur Verfügung. Bild 5 zeigt beispielsweise eine miniaturisierte Shearografie Prüfkamera, die mittels eines selbsthaltenden Stativs an der Tragfläche der Concorde vorgeschriebene Bauteilprüfungen durchführt. Dabei wird die Tragfläche mittels eines Halogenstrahlers leicht erwärmt und das Verformungsfeld mit der Shearografiekamera aufgenommen.


Bild 5: Prüfung von Tragflächen der Concorde mittels Shearografie

Hohes Einsparpotenzial für den Anwender

Die vorstehend kurz beschriebenen Beispiele aus einer Vielzahl aktueller Anwendungsfälle shearografischer Prüfsysteme zeigen deutlich, dass diese Prüftechnik und ihre gerätetechnische Umsetzung den Kinderschuhen entwachsen ist. Komplizierte Versuchsaufbauten mögen noch in Labors Verwendung finden, für das industrielle Umfeld mit seinen robusten Anforderungen stehen heute kompakte Geräte zur Verfügung, die mit hoher Zuverlässigkeit die an sie gestellten Aufgaben erfüllen. Diese Geräte sind an unterschiedlichste Aufgaben anpassbar und sind einfach zu bedienen und vor allem sehr schnell. Damit ist für die Anwender im Hinblick auf die durchzuführenden Prüfungen und Inspektionen ein hohes Einsparpotenzial verbunden. Bild 5: Von einem Roboter geführtes Shearografie-Inspektionssystem

Literatur

  1. Walz, T. und A. Ettemeyer: Automatic Shearography Inspection System for Helicopter Rotor Blades; Dr. Ettemeyer Application Report No. 03/97
  2. Honlet, M. und T. Walz: Shearografie - Stand der Technik eines optischen Verfahrens für die ZfP; ZfP-Zeitung, 78 (2002), S. 39-41

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net