Zerstörungsfreies Aufspüren winziger Oberflächenrisse

Materialien können neben klassischen Verfahren wie Ultraschall auch mittels Wärme auf Schäden geprüft werden. Hierbei wirken Materialfehler als Wärmewiderstände, an denen sich die Wärme staut und um den Fehler herumfließt. Dieser Effekt lässt sich dann mit einer Wärmebildkamera an der Oberfläche eines Bauteils sichtbar machen. Erhitzt man beispielsweise mit einem Fön die Oberfläche eines Metallkörpers, verteilt sich normaler­weise die Wärme sehr homogen und dringt hauptsächlich senkrecht zur Oberfläche langsam in die Tiefe des Materials ein. Da Oberflächenrisse oftmals auch senkrecht zur Oberfläche verlaufen, sind dann der Wärmestau und dadurch die Nachweismöglichkeit vermindert. Deshalb nutzten Wissenschaftler der BAM Bundesanstalt für Materialfor­schung und -prüfung den Effekt der radialen Wärmeausbreitung bei punktförmigen Wärmequellen (wie sie durch einen Laser erzeugt wird) aus, und haben ein laserge­stütztes Prüfverfahren entwickelt, mit dem man zerstörungsfrei auch sehr feine Risse erkennen kann.

Angewandt wird zunächst folgendes Prinzip der Laserthermographie: Ein Laser erwärmt an einer winzigen Stelle das zu prüfende Material. Mit einer Wärmebildkamera wird dann die Wärmeverteilung an der Oberfläche inspiziert. Dabei rastert man die Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von bis zu zehn Metern pro Sekunde ab. An der Rissflanke ent­steht ein Wärmestau. Somit kann man an der Flanke einen Bereich mit einem sehr stei­len Anstieg der Temperaturverteilung sehen. Das Problem: „Wenn man mit einer Wär­mebildkamera auf die Oberfläche des Materials schaut, sieht man nur den heißen Punkt des Lasers“, sagt der BAM-Physiker Marc Kreutzbruck. Doch der interessiere natürlich bei einer Überprüfung nicht. Denn geschaut werden soll ja nach der auffälligen Wärme­verteilung, die durch Risse hervorgerufen wird, so Kreutzbruck weiter.

Die BAM-Experten entwickelten deshalb für die zerstörungsfreie Prüfung ein mathemati­sches Verfahren, mit dem es möglich ist, durch einen Algorithmus auf der einen Seite das Signal des Risses (durch eine so genannte örtliche Ableitung) zu verstärken, auf der anderen Seite aber das Signal des Lasers auszulöschen. Dabei sei das nicht nur eine mathematische Spielerei, sagt Kreutzbruck. Sondern man bekomme die ganz konkrete physikalische Größe des Wärmewiderstandes. Zudem können mögliche Defekte in alle Richtungen festgestellt werden. Risse sind deshalb in Abhängigkeit der eingesetzten Laserleistung bis zu einer Tiefe von zehn Mikrometern nachweisbar. Aber auch die Orts­auflösung ist sehr gut und lässt Risse noch in einem Abstand von nur 100 Mikrometern einzeln erkennen. „Das Verfahren ist schnell, gänzlich berührungslos und mittels kom­merziell erhältlicher Komponenten zu realisieren“, sagt Kreutzbruck. Der Experte sieht die Entwicklung vor allem als Hilfe in der Industrie und bei Dienstleistern, die die zerstö­rungsfreie Prüfung (ZfP) automatisieren möchten.

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