DE102006040869B4

DE102006040869B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektierung eines Fehlers in einem schichtartigen nichtmetallischen Prüfling

Info

Publication number: DE102006040869B4
Application number: DE200610040869
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Hierl Thomas; Dr. Zettner Jürgen; Dr. Karg Dieter; Dipl.-Ing. Niederreiter Thomas; Dr. Weidner Michael
Original assignee: Thermosensorik GmbH
Current assignee: DCG Systems GmbH
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: DE102006040869A1

Abstract

Verfahren zur Detektierung eines Fehlers (4) in einem schichtartigen nichtmetallischen Prüfling, welches mittels bildgebender Infrarottechnologie Ergebnisbilder zur Verfügung stellt, die einen Wärmefluss in Transmission und/oder in Reflektion in einem zeitlichen bzw. örtlichen Raum darstellen, und bei dem die Ergebnisbilder untersucht werden, wobei der zu untersuchende Bereich des Prüflings durch flächige Ankopplung elektromagnetischer Energie induktiv erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfling (1) mit mindestens einer Schicht (2) aus einem leitfähigen Material, die auf mindestens einer Seite des Prüflings (1) aufgebracht ist und über thermischen Kontakt mit dem Prüfling (1) verfügt und die durch elektromagnetische Ankopplung erhitzt wird, versehen wird, über die der Prüfling (1) mit einem Wärmefluss versorgt wird, und dass die Anregung des Prüflings (1) durch eine Aufheizung erzielt wird, die als Kombination einer Induktionserwärmung (kHz) und einer Mikrowellenanregung (GHz) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die schnelle, berührungs- und zerstörungsfreie Detektierung verschiedener Fehler, insbesondere von Rissen, in nichtmetallischen Materialien, die in der Produktion z. B. von Silizium-Solarzellen oder Silizium-Wafern zum Einsatz in der Mikroelektronik bzw. von Solarmodulen zur photovoltaischen Stromgewinnung eine große industrielle Anwendung gefunden haben.
Die bildgebende Thermographie hat sich seit Jahren als solche Prüfungsmethode etabliert. Nach dieser Methode wird der von einem angeregten Prüfling ausgehende Wärmefluss in Form eines Bildes mit mindestens einer Infrarotkamera erfasst, zu einer Recheneinheit weiter übertragen und dort manuell oder mittels Bildverarbeitung ausgewertet. Dabei können Ergebnisbilder unterschiedlicher Art erzeugt werden, sodass beispielsweise ein Thermobild oder ein Amplituden- bzw. Phasenbild gewonnen wird (Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing/Xavier P. V. Maldague. – John Wiley & Sons, Inc., 2001, S. 347–450). Um ein auswertbares Bild zu gewinnen, soll aber eine ausgesuchte Anregung eines Prüflings seine Erwärmung in der Weise verursachen, dass diese Erwärmung sich an den fehlerfreien und fehlerhaften Stellen signifikant unterscheidet. Diese ist sowohl von der Anregungstechnik als auch von den Eigenschaften des Prüflingsmaterials abhängig.
Ein mittels Induktion hervorgerufener Wirbelstrom erzeugt durch die Stromdichteverteilung eine entsprechende Wärmeverteilung. Diese kann mit Thermografie nachgewiesen werden. Vorausgesetzt ist jedoch ein leitfähiges Material, in der Regel ein Metall.
Es ist bekannt ( DE 10 2004 054 699 A1 ), dass die Fehler (Risse) in einem metallischen Bauteil nachgewissen werden können, wobei ein Induktionsimpuls und damit ein Wirbelstrom zur Anregung eines Prüflings verwendet wird. Dabei kann ein Wärmefluss innerhalb des Prüflings erzeugt werden, dessen Aufnahme erfolgt, bevor die Wärmeleitung fehlerbedingte Temperaturunterschiede ausgleicht. Dieses Verfahren ist jedoch auf Werkstoffe mit hoher elektrischer Leitfähigkeit beschränkt. Damit kann es nur für metallische Prüflinge effektiv verwendet werden.
Die Verwendung einer Mikrowellenanregung ( WO 001999010731 A1 ), in der Art, wie sie zur thermografischen Detektion von Minen benutzt wird, ist ebenfalls nur für Metall geeignet.
Ferner sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt ( US 5 430 376 ), die eine kombinierte Schichtdickenmessung und Rissprüfung an oberflächenbeschichteten Materialien schützen. Dabei ist es erforderlich, die Bauteiloberfläche mit einer thermoelektrischen Sonde und mit einer Wirbelstromsonde vollständig abzutasten. Dieses Verfahren ist allerdings auch nur auf metallische Schichten anzuwenden.
Gewinnung einer Thermosignatur von einem Prüfling mittels Einkopplung eines magnetischen Wechselfeldes durch Anregung von stoffspezifischen Dipolmomenten und Erfassung bzw. Auswertung der Infrarotabstrahlung ( DE 197 47 784 A1 ) bietet eine Möglichkeit, ein nichtmetallisches Material anzuregen. Dieses Verfahren erlaubt jedoch nur eine Konturerfassung eines Prüflings, aber keinen Nachweis der in ihm vorhandenen Fehler.
Eine Untersuchung eines metallischen Materials durch eine auf ihn aufgebrachte nichtmetallische Schicht ist in DE 103 31 070 A1 beschrieben. Dabei sind Klebeverbindungen, kohlefaserverstärkte Kunststoffe, Metallgussteile und Oberflächenbeschichtungen auf massiven Metallkörpern benannt. Da die Anregung des Metalls von der Seite der nichtmetallischen Schicht und durch diese Schicht (3, a in DE 103 31 070 A1 ) erfolgt, ist es sinnvoll, eine Anregung und Beobachtung durch die nichtmetallische Schicht mit niedrigen Frequenzen (≤ 20 kHz) durchzuführen. Nur dann wird die maximale Wärmemenge im Metall durch die nichtmetallische Schicht hindurch generiert. Sonst dringt keine Energie in das metallische Material ein. Somit beschränkt sich dieses Verfahren zur Untersuchung der oben beschriebenen Materialkonstruktionen aufgrund seiner Anordnung nur auf diese o. ä. Materialkonstruktionen sowie auf niedrige Anregungsfrequenzen.
In WO 2005/095934 sind Grundlagen der Verwendung einer Induktionsquelle zur Anregung speziell einer Wabenstruktur beschrieben. Diese sehr speziellen Konstruktionen, die als Leichtbauelemente aus den Aluminiumstegen mit einer epoxydverstärkten Haut aufgebaut sind, werden im Flugzeugbau zur Gewichtsersparnis und zur erhöhten Festigkeit tragender Teile eingesetzt. In diesem Fall handelt es sich jedoch um die gleiche Beschränkung des Verfahrens und der Vorrichtung zur Untersuchung der Materialkonstruktionen gleicher Art aufgrund ihrer Anordnung.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen, berührungs- und zerstörungsfreien Detektierung eines Fehlers in einem nichtmetallischen Material zu schaffen.
Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.
Das Verfahren zur Detektierung eines Fehlers in einem nichtmetallischen Material sieht vor, dass mindestens eine Schicht aus einem metallischen Material auf mindestens einer Seite des Prüflings aufgebracht wird. Diese Schicht soll dabei über thermischen Kontakt mit dem Prüfling verfügen. Sie wird patentgemäß durch elektromagnetische Ankopplung eines Induktors von der Schichtseite erhitzt und die entstandene Wärme wird in das zu untersuchende nichtmetallische Material weitergeleitet. Somit kann eine aussagekräftige thermografische Untersuchung des Prüflings gewährleistet werden. Die metallische Schicht kann patentgemäß auf verschiedene Seiten des Prüflings aufgebracht werden. Dementsprechend sollen ihre Anregung und die Aufnahme des Prüflings eingeordnet werden. Nach der Prüfung kann die aufgebrachte metallische Schicht je nach weiterer Verwendung des Materials von ihm entfernt werden. Die Wellenlänge jeder Quelle bestimmt dabei die Tiefe, an der im Prüfling die maximale Erwärmung des Materials stattfindet. Damit kann eine wesentlich homogenere Erwärmung eines nichtmetallischen Materials vergleichsmäßig zu seiner Anregung nur mit einer Quelle erzielt werden.
Gemäß Anspruch 2 kann die aufgebrachte metallische Schicht als festes Material ausgebildet sein. Dies erlaubt einen robusten Prüfungsablauf. Außerdem kann die aufgebrachte Schicht als Bestandteil des weiteren Produktionsprozesses benutzt werden.
Die metallische Schicht kann gemäß Anspruch 3 auch aus einer metallischen Flüssigkeit bestehen. In diesem Fall wird eine eventuell vorhandene Kapillarwirkung zur Penetration von Fehler, z. B. Rissen, genutzt. Als Folge wird eine verstärkte Erwärmung eines Fehlers und somit seine sicherere Detektierung erreicht.
Gemäß Anspruch 4 wird die Erwärmung einer metallischen Schicht mit einer Anregungsfrequenz erzielt, die eine effektive Anregung auch einer dünnen und inhomogenen Schicht gewährleistet. Aus physikalischen Gründen empfiehlt es sich dafür höhere Frequenzen einzusetzen, die beispielsweise in einen Frequenzbereich von 100 kHz bis zu Mikrowellen (GHz) liegen.
Gemäß Anspruch 4 wird die kombinierte Aufheizung eines Prüflings erfahrungsgemäß moduliert, sodass die eventuell vorhandenen Fehler auf einem gewonnenen thermografischen Bild einen höheren Kontrast aufweisen. Dies kann patentgemäß auf folgender Weise erzielt werden.
Gemäß Anspruch 5 kann die kombinierte Aufheizung, die als Impulsreihe ausgebildet ist, nach der Impulslänge moduliert werden, wobei die Impulse kürzer als die Belichtungszeit eingestellt werden.
Gemäß Anspruch 6 kann die kombinierte Aufheizung durch eine wechselnde Leistung der Anregungsimpulse moduliert werden.
Anspruch 7 beschreibt die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und duient ebenfalls zur Lösung der gestellten Aufgabe.
Erfahrungsgemäß besteht eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass die eventuell vorhandenen Fehler sowohl an den Kanten eines Prüflings als in seinen inneren Bereichen vorkommen. Gemäß Anspruch 8 soll ein Anregungsinduktor die dreidimensionale Umrissform eines Prüflings nachbilden, sodass die maximale Anregung des Prüflings und zwar mit gleichmäßiger Wirkung nahe der Prüflingskante erfolgt. Damit können die kantennah liegenden Fehler, z. B. Kantenrisse, sicher detektiert werden.
Falls die Abmessungen eines Prüflings relativ groß sind, kann gemäß Anspruch 9 ein im Vergleich zu den Prüflingsabmessungen kleiner Anregungsinduktor entlang der Prüfkante mit einem konstanten Abstand zu ihr geführt werden.
Da ein Anregungsinduktor einen Wärmefluss in einem Prüfling überwiegend in einer Richtung erzeugt, können alle Fehler, die quer zu dieser Richtung orientiert sind, am besten detektiert werden. Um alle eventuell in einem Prüfling vorhandenen Fehler, z. B. Risse, die in unterschiedlichen Richtungen orientiert sind, detektieren zu können, wird gemäß Anspruch 10 die Fehlerdetektierung mit zwei Anregungsinduktoren durchgeführt. Diese sollen zueinander einen Winkel ungleich 0° oder 180° bilden, sodass sie in einem Prüfling Wärmeflüsse in unterschiedlichen Richtungen hervorrufen. Bei einer thermografischen Aufnahme sollen die so angeordneten Anregungsinduktoren und/oder der Prüfling von der Kamera gesehen übereinander hinweg bewegt werden.
Gemäß Anspruch 11 kann die Vorrichtung zur Anregung eines Prüflings als eine Einheit aus mehreren Induktoren ausgebildet werden, die jeweils ein elektromagnetisches Feld erzeugen. Diese sollen so angeordnet und angesteuert werden, dass sie ein hochfrequentes Drehfeld für die Erwärmung eines Prüflings erzeugen. Somit können Fehler in allen Richtungen detektiert werden.
Die Einzelheiten der Erfindung sowie ihre weiteren Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen anhand der 1–4 erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es wird gezeigt:
1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektierung eines Fehlers in einem nichtmetallischen Material, auf dessen einer Seite eine metallische Schicht aufgebracht ist.
2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektierung eines Fehlers in einem nichtmetallischen Material, auf dessen einen Seite eine metallische Schicht aufgebracht ist, wobei der Anregungsinduktor die dreidimensionale Umrissform eines Prüflings nachbildet.
3 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektierung eines Fehlers in einem nichtmetallischen Material, deren Anregungseinheit aus zwei Induktoren aufgebaut ist, die zueinander einen Winkel ungleich 0° oder 180° bilden.
4 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektierung eines Fehlers in einem nichtmetallischen Material, deren Anregungseinheit aus mehreren Induktoren ausgebildet ist, die jeweils ein elektromagnetisches Feld erzeugen.
Als Beispiel kann ein thermografisches System zur Detektierung eines Fehlers 4 in einem nichtmetallischen Material 2, z. B. in einer Siliziumplatte, genommen werden.
Um eine sichere Detektierung eines in einem nichtmetallischen Material 1 eventuell vorhandenen Fehlers 4 zu gewährleisten, soll auf mindestens eine Seite des Prüflings 1 eine metallische Schicht 2 vor der Prüfung aufgebracht werden. Danach kann mit Hilfe eines Induktors 3, der an der beschichteten Seite des Prüflings 1 angebracht wird, die Schicht 2 erhitzt werden, sodass ein Wärmefluss durch den Prüfling 1 erzeugt wird (1). Der Wärmefluss wird dann mit einer Infrarotkamera als entsprechende Aufnahmen erfasst, die zu einer Recheneinheit weiter überfragen und dort manuell oder mittels Bildverarbeitung ausgewertet werden.
Falls die Risse 4 überwiegend an der Prüflingskante detektiert werden sollen, kann der Induktor 3 so gestaltet werden, dass er die dreidimensionale Umrissform des Prüflings 1 nachbildet (2). Damit ist der Induktor 3 in der Lage, eine maximale Anregung des Prüflings 1 und zwar mit gleichmäßiger Wirkung nahe seiner Kante zu gewährleisten.
In einem Prüfling 1 können die eventuell vorhandenen Fehler 4, z. B. Risse, in unterschiedlichen Richtungen orientiert sein. Um eine sichere Detektierung dieser Fehler zu erzielen, sollen zwei Anregungsinduktoren 3 verwendet werden, die zueinander einen Winkel ungleich 0° oder 180° bilden (3). Diese und/oder der Prüfling 1 sollen von der Kamera gesehen übereinander hinweg bewegt werden. So können in einem Prüfling 1 Wärmeflüsse in zwei quer zueinander liegenden Richtungen hervorgerufen und damit die unterschiedlich orientierten Fehler detektiert werden.
Die Vorrichtung zur Anregung kann auch aus mehreren Induktoren 3 aufgebaut werden (4). Die Induktoren 3 sollen dabei so angeordnet und angesteuert werden, dass sie ein hochfrequentes Drehfeld für die Erwärmung eines Prüflings 1 erzeugen. Somit werden in einem Prüfling 1 Wärmeflüsse in allen Richtungen hervorgerufen, wodurch sich die unterschiedlich orientierten Fehler 4 auf einem thermografischen Bild sicher detektieren lassen.
Zusammenfassend kann ein nichtmetallisches Material mit Hilfe der vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtung schnell, berührungs- und zerstörungsfrei mittels Thermografie untersucht werden, wobei eine explizite Detektierung eines in ihm eventuell vorhandenen Fehlers gewährleistet wird.

Claims

Verfahren zur Detektierung eines Fehlers (4) in einem schichtartigen nichtmetallischen Prüfling, welches mittels bildgebender Infrarottechnologie Ergebnisbilder zur Verfügung stellt, die einen Wärmefluss in Transmission und/oder in Reflektion in einem zeitlichen bzw. örtlichen Raum darstellen, und bei dem die Ergebnisbilder untersucht werden, wobei der zu untersuchende Bereich des Prüflings durch flächige Ankopplung elektromagnetischer Energie induktiv erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfling (1) mit mindestens einer Schicht (2) aus einem leitfähigen Material, die auf mindestens einer Seite des Prüflings (1) aufgebracht ist und über thermischen Kontakt mit dem Prüfling (1) verfügt und die durch elektromagnetische Ankopplung erhitzt wird, versehen wird, über die der Prüfling (1) mit einem Wärmefluss versorgt wird, und dass die Anregung des Prüflings (1) durch eine Aufheizung erzielt wird, die als Kombination einer Induktionserwärmung (kHz) und einer Mikrowellenanregung (GHz) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebrachte leitfähige Schicht (2) als festes Material ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebrachte leitfähige Schicht (2) als leitfähige Flüssigkeit ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierte Aufheizung eines Prüflings (1) moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierte Aufheizung eines Prüflings (1) mit Impulsen erzielt wird, die kürzer als die Belichtungszeit sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierte Aufheizung eines Prüflings (1) mit Impulsen mit wechselnder Leistung erzielt wird.
Vorrichtung zur Detektierung eines Fehlers (4) in einem schichtartigen nichtmetallischen Prüfling, welche mittels bildgebender Infrarottechnologie Ergebnisbilder zur Verfügung stellt, die einen Wärmefluss in Transmission und/oder in Reflektion in einem zeitlichen bzw. örtlichen Raum darstellen, und bei der die Ergebnisbilder untersucht werden, wobei der zu untersuchende Bereich des Prüflings durch flächige Ankopplung elektromagnetischer Energie induktiv erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Versorgung des Prüflings (1) mit einem Wärmefluss mindestens eine Schicht (2) aus einem leitfähigen Material aufweist, die auf mindestens einer Seite des Prüflings (1) aufgebracht ist und über thermischen Kontakt mit dem Prüfling (1) verfügt und die durch elektromagnetische Ankopplung zu erhitzen ist, wobei der zu untersuchende Bereich des Prüflings (1) durch flächige Ankopplung elektromagnetischer Energie induktiv erwärmt wird, und dass die Heizung zur Anregung des Prüflings (1) als eine Kombination aus einer Induktions-Heizung (kHz) und einer Mikrowellen-Heizung (GHz) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anregungsinduktor (3) der Heizung die dreidimensionale Umrissform eines Prüflings (1) nachbildet, sodass die maximale Anregung des Prüflings (1) nahe der Prüflingskante erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Vergleich zu den Prüflingsabmessungen kleiner Anregungsinduktor (3) entlang der Prüflingskante mit einem konstanten Abstand zu ihr geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Anregungsinduktoren (3) der Heizung, die zueinander einen Winkel ungleich 0°. oder 180°. bilden, vorgesehen sind und von der Kamera gesehen übereinander hinweg zu bewegen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung eines Prüflings (1) als eine Einheit aus mehreren Induktoren (3) ausgebildet ist, die jeweils ein elektromagnetisches Feld erzeugen, sodass ein hochfrequentes Drehfeld für die Erwärmung eines Prüflings (1) entsteht.