Quantifizierung von Defekten in endlosfaserverstärkten Kunststoffen mit Hilfe der Amplituden- und Phaseninformationen im Rahmen der aktiven und passiven Thermografie
- Der Einsatz kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe (CFK) ist schon lange nicht mehr
nur auf die Luft- und Raumfahrt begrenzt, sondern findet auch breite Anwendung in
anderen Industriezweigen wie der Automobilbranche, der Sport- und Freizeitindustrie,
der Medizintechnik und weiteren Branchen. Deswegen sind für diese Werkstoffe in
der Produktion und in der Gebrauchsphase effiziente Prüfverfahren erforderlich. Die
Akzeptanz der Industrie hinsichtlich eines Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung
(ZfP) ist im Wesentlichen von der Zuverlässigkeit und der Genauigkeit der quantitativen
Angaben abhängig. Eine geeignete Methode zur Prüfung von Verbundwerkstoffen
ist die Infrarot-Thermografie (IRT), eine optische und bildgebende Prüfmethode zur
Erfassung der Oberflächentemperatur, die sich vor allem in den letzten Jahren stark
weiterentwickelt hat. Aktuell verwendete Methoden zur zeitaufgelösten und lateral
ortsaufgelösten Quantifizierung von Defekten im Rahmen der IRT basieren auf der
direkten Auswertung der aufgenommenen Infrarot-Bilder, was in Bezug auf die Empfindlichkeit
gegenüber tieferliegenden Defekten und der Genauigkeit bei der Angabe
der lateral Größe jedoch stark limitiert ist.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der zeitaufgelösten und lateral ortsaufgelösten Quantifizierung von Defekten in CFK unter Verwendung der passiven Thermografie
während der Schädigungsentstehung sowie der aktiven Thermografie als
unabhängige Inspektionsmethode. Das Potenzial der Quantifizierung anhand von
Amplituden- und Phasenbildern der aktiven und passiven Thermografie wird mit den
bekannten Methoden der Analyse der IR-Bilder verglichen. Hierfür werden drei voneinander
unabhängige Anwendungsfälle verwendet: die aktive Thermografie zur ZfP
an CFK Platten mit künstlichen Delaminationen in Form von Folien, die In-situ-
Überwachung im Rahmen der quasi-statischen Zugprüfung unter Verwendung der
passiven Thermografie und die Visualisierung von Impactschädigungen mit Hilfe der
passiven und aktiven Thermografie. Die Genauigkeit der Quantifizierung ist vor allem
von dem durch einen Defekt verursachten Kontrast abhängig, welcher durch die Auswertung
der Amplituden- und Phasenbilder erheblich gesteigert wird. Die Angabe zur
lateralen Defektgröße ist damit insgesamt genauer und ermöglicht auch die Quantifizierung
tieferliegender Defekte. Auch die Beschreibung des Degradationsverhaltens
kann durch Verwendung der Amplitudenbilder zuverlässiger umgesetzt werden, wobei
Schädigungsereignisse im Rahmen der In-situ-Überwachung auch noch in der vierten
Lage (in einer Tiefe von etwa 0,4 mm) visualisiert werden können. Bei der Visualisierung
von Impactschädigungen kann sowohl die passive, als auch die aktive Thermografie
verwendet werden, wobei die Auswertung der Amplituden- und Phasenbilder
ebenso geeignet ist wie die der IR-Bilder.
- The use of carbon fiber-reinforced polymers (CFRP) is no longer limited to the
aerospace industry, but is also widely common in other industries such as automotive,
sports and leisure, medical technology and other markets. In this context, these
materials require efficient testing technologies during production and during their
service life. Industry acceptance of a non-destructive testing (NDT) method is largely
dependent on the reliability and accuracy of quantitative data. A suitable method for
testing composites is infrared thermography (IRT), an optical and imaging testing
method for detecting surface temperature and which has undergone significant
development, especially in recent years. Currently used methods for time-resolved
and laterally spatially resolved quantification of defects in the context of IRT are based
on direct evaluation of the acquired IR images, which is however significantly limited in
sensitivity to deeper defects and accuracy in indicating lateral size.
The present work deals with time-resolved and laterally spatially resolved quantification
of defects in CFRP using passive thermography during damage initiation and active
thermography as an independent inspection method. The potential of quantification
using amplitude and phase images of active and passive thermography is compared
with known methods of analysis of IR images. Three independent use cases are used
for this purpose: the active thermography for NDT on CFRP sheets with artificial delaminations
in form of foils, the in-situ monitoring in the context of quasi-static tensile
testing using passive thermography and visualization of impact damage using passive
and active thermography. The accuracy of quantification depends mainly on the contrast
caused by a defect, which is significantly increased by evaluating the amplitude
and phase images. The information on lateral defect size is thus more accurate overall
and also allows deeper defects to be quantified. The description of the degradation behavior
can also be implemented more reliably by using the amplitude images, whereby
damage events can still be visualized in the fourth layer (at a depth of about 0.4mm) as
part of in-situ monitoring. In the visualization of impact damage, both passive and active
thermography can be used, with the evaluation of the amplitude and phase images
being equally suitable as that of the IR images.