Wärmefluss-Thermographie zur Qualitätssicherung

Durch die Analyse des Wärmeflusses bzw. der Wärmeleitfähigkeit von Werkstücken können unterhalb der Oberfläche liegende und daher äußerlich nicht sichtbare Fehlstellen erkannt werden.

Die Wärmefluss-Thermographie ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren für die Qualitätssicherung in der Produktion. Durch die Analyse des Wärmeflusses bzw. der Wärmeleitfähigkeit von Werkstücken können unterhalb der Oberfläche liegende und daher äußerlich nicht sichtbare Fehlstellen erkannt werden. Grundsätzliche Vorteile des thermographischen Wärmefluss-Prüfverfahrens sind das bildgebende Funktionsprinzip, die hohe Prüfgeschwindigkeit und die relativ einfache Automatisierbarkeit.

Die Wärmefluss-Thermographie ist eine Prüfmethode, mit der „unsichtbare“ Fehlstellen sichtbar gemacht werden können. Durch die Analyse des Wärmeflusses beziehungsweise der Wärmeleitfähigkeit können unterhalb der Oberfläche liegende und daher äußerlich nicht sichtbare Fehlstellen in Werkstücken erkannt werden. Das Fraunhofer WKI Braunschweig stellet auf der Messe Control eine Prüfeinrichtung vor, die eine Vielzahl von Produkten, von Holzwerkstoffen über Fahrzeugteile bis hin zu Weingummis, im Durchlauf auf einem Förderband auf äußerlich nicht sichtbare Qualitätsmängel prüfen kann. Als Prüfverfahren dient die aktive Infrarot-Thermographie. Das Verfahren wird mit Bildverarbeitungsmethoden automatisiert, sodass es ohne Personaleinsatz in den Produktionsprozess integriert werden kann. Das Ergebnis der Prüfung kann direkt in ein Entscheidungskriterium zur Aussonderung der fehlerhaften Produkte umgesetzt werden.

Abb. 1: Bei der aktiven Wärmefluss-Thermographie wird die Oberfläche der Messobjekte durch einen kurzen Wärmeimpuls erwärmt. Danach „wandert“ die Wärme von der Oberfläche ins Körperinnere. Befinden sich Fehler mit geringerer Wärmeleitfähigkeit unter der Oberfläche, wird der Wärmetransport behindert. (Quelle: Fraunhofer WKI)

Die Wärmefluss-Thermographie ist eine relativ neue Prüfmethode in der Qualitätssicherung. Bekannt geworden sind Thermographie-Systeme bislang vorwiegend im militärischen Bereich zum Auffinden von Personen oder Fahrzeugen, in der Medizin oder in der Baubranche zum Auffinden von Wärmeverlusten an Häusern oder Leitungen. In der Industrie werden Thermographie-Systeme derzeit vor allem zur Temperaturkontrolle von industriellen Anlagen eingesetzt. Durch die Entwicklung leistungsfähiger Sensoren gewinnt die Technik auch in der Qualitätssicherung immer mehr an Bedeutung.

Alle Körper emittieren ein von ihrer Temperatur abhängiges Spektrum elektromagnetischer Wellen. Diese bleiben dem menschlichen Auge allerdings bei üblichen Temperaturen verborgen, da es sich um infrarote Strahlung handelt. Daher ist der Einsatz einer Thermographie-Kamera notwendig, mit deren Sensoren Infrarotstrahlung sichtbar gemacht werden kann.

Bei der aktiven Wärmefluss-Thermographie wird die Oberfläche der Messobjekte durch einen kurzen Wärmeimpuls erwärmt. Danach „wandert“ die Wärme von der Oberfläche ins Körperinnere. Befinden sich Fehler mit geringerer Wärmeleitfähigkeit unter der Oberfläche, wird der Wärmetransport behindert. Die Oberfläche bleibt über diesen Bereichen länger warm und durch Thermographie-Kameras können Temperaturunterschiede sichtbar gemacht werden, die Hinweise auf Fehler wie Lunker, Hohlräume und Delaminationen geben können (Abb. 1). Für diese Art der Untersuchung reicht in vielen Fällen schon eine Erwärmung von einigen Zehntel Grad Celsius aus (z. B. durch Infrarotstrahler, UV-Licht oder Ultraschall).

Abb. 2: Fremdkörpererkennung in Weingummis. Im Thermographiebild lassen sich die Fremdkörper (Holzsplitter) aufgrund der abweichenden Wärmekapazität wesentlich leichter detektieren. (Quelle: Fraunhofer WKI)

Die aktive Wärmefluss-Thermographie lässt sich in den unterschiedlichsten Industriezweigen einsetzen. Einige Schwerpunkte sind die berührungslose und zerstörungsfreie Detektion struktureller Schwächen wie z. B. Haftungsschwächen, Risse, Delaminationen, Blasen, Lufteinschlüsse, Korrosionsbildung unter Lack sowie die Prüfung der Festigkeit von Schweiß-, Klebe- und Lötverbindungen. Ebenso gehören auch die Erkennung feinster Materialunterschiede durch unterschiedliche optische Eigenschaften im Infraroten und die Schichtdickenbestimmung an Lacken, Filmen und Furnieren zu den wesentlichen Aufgabenstellungen bei der Thermographie-Prüfung.

Auch zur Prüfung von Nahrungsmitteln kann Thermographie genutzt werden. Abbildung 2 zeigt den Einsatz der aktiven Wärmefluss-Thermographie bei der Fremdkörpererkennung in Weingummi. Hier unterscheiden sich das Produkt und die Fremdkörper (Holzsplitter) in ihrer Wärmekapazität voneinander, sodass sie nach dem Wärmeimpuls unterschiedliche Temperaturen aufweisen und so im Thermographiebild unterschieden werden können. Ein anderes Anwendungsbeispiel ergibt sich im Automotive-Bereich. Hier können im Rahmen der Wareneingangskontrolle Reparaturstellen in wertvollen Lederbezügen von Autositzen leicht sichtbar gemacht werden.

Die Wärmefluss-Thermographie erweitert das Anwendungsspektrum für die Materialprüfung erheblich. Die praktische Bedeutung dieser Technik steigt mit der Verfügbarkeit von genauen, schnellen und robusten Sensoren. Allerdings ist die Vorhersage, ob ein bestimmtes Produkt für die Prüfung geeignet ist, außerordentlich schwierig, da sie von einer Vielzahl von oft schwer bestimmbaren Parametern abhängt. Deshalb müssen in jedem Einzelfall detaillierte Voruntersuchungen stattfinden. Danach allerdings können Fehler unterhalb der Oberfläche meist zuverlässig, schnell und automatisch gefunden werden. Mittels Thermographie können auch sehr große und schnell bewegte Objekte untersucht werden. Hierdurch ist das Verfahren oft auch für eine 100-Prozent-Online-Kontrolle im industriellen Einsatz geeignet. Die bisherigen Erfahrungen im Umgang mit der Thermographie lassen vermuten, dass bisher nur ein Bruchteil der sinnvollen Anwendungsmöglichkeiten bekannt ist.

Quelle: Fraunhofer-Allianz Vision

Weitere Infos:

• Fraunhofer-Allianz Vision:
  http://www.vision.fraunhofer.de
• Qualitätssicherung durch industrielle Wärmefluss-Thermographie:
  http://www.vision.fraunhofer.de/de/4/projekte/327.html