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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Werkstoffwissenschaften, insbesondere auf dem Gebiet der Materialprüfung und betrifft die zerstörungsfreie und berührungslose Rissprüfung an reflektierenden, unbeschichteten, ebenen oder unebenen Werkstücken wie z. B. Metallteilen und in schwer zugänglichen Hohlräumen, insbesondere die Defektprüfung an Zylinderinnenflächen.
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Bekannte Ansätze der zerstörungsfreien Materialprüfung bedienen sich der manuellen und berührenden Rissprüfung mit Farbeindring-, Magnetpulver, Ultraschall- oder elektrischen Verfahren bzw. mit berührungsloser Wirbelstromprüfung in sehr geringem Abstand zur Prüfoberfläche. Letztgenanntes Verfahren ist auf den Einsatz bei elektrisch leitfähigen Materialien beschränkt, praktisch aber nur bei sehr geringem Abstand zur Prüfoberfläche sinnvoll anwendbar und damit nur eingeschränkt für typischerweise unebene Oberflächen geeignet.
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Die Druckschrift
DE 40 15 393 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung der inneren Struktur eines absorptionsfähigen Prüflings. Dazu wird das von einer Probe reflektierte und gestreute Licht eines die Probe beaufschlagenden Heizlasers analysiert.
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Gemäß der Druckschriften
DE 39 13 474 A1 und
DE 698 28 873 T2 werden photothermische Untersuchungsverfahren und Vorrichtungen zu deren Durchführung beschrieben, wobei auch hier zur thermischen Anregung ein Laser verwendet wird.
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Die Druckschrift
US 2010/0 118 912 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Qualitätskontrolle von OLED-Dichtungen unter Zuhilfenahme eines Pyrometers, das das von der Probe eintreffende Laserlicht analysiert.
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Die Druckschrift
US 4 8374 948 A beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bewertung des Auspolymerisierens von Polymer-Kompositmaterialien unter Verwendung eines Lasers und eines dichroitischen Spiegels mit einem Detektor.
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Die aktive Thermografie erfolgt üblicherweise unter einem Winkel zur Prüfoberfläche, d. h. durch senkrechtes Anregen, z. B. mittels Laser und schräges Messen mit Thermokamera. Zur Vermeidung von Reflexionen, welche die Messung erschweren, die Messergebnisse verfälschen und die verwendete Meßtechnik beschädigen oder zerstören können, werden die Oberflächen von reflektierenden Materialien vor der Messung beschichtet, z. B. mit Graphit oder mit schwarzer Farbe. Dieses Erfordernis macht die per se berührungslose Thermografie zu einer auf die Vorbehandlung des Prüflings angewiesene Technik, bewirkt eine Modifizierung der Oberfläche des Prüflings und vernichtet somit die eigentlichen Vorteile des berührungslosen Prüfverfahrens Thermografie.
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Die vorbekannten Lösungen sind somit nur teilweise zufriedenstellend und erfordern einen hohen technischen Aufwand.
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Vor diesem Hintergrund werden eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 12 zur automatisierbaren, zerstörungsfreien und berührungslosen Rissprüfung an reflektierenden und unebenen Oberflächen, Werkstücken wie z. B. Metallteilen, insbesondere in schwer zugänglichen Hohlräumen vorgeschlagen.
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Die beschriebene Vorrichtung und darauf gestützte Verfahren erschließen den Einsatz der Thermografie als ein auch in Hinsicht auf die Probenvorbehandlung berührungsloses Prüfverfahren für gekrümmte, hoch reflektierende und typischerweise schwer zugängliche Oberflächen, wie beispielsweise Zylinderinnenflächen. Die Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung bzw. das vorgeschlagene Verfahren erfordern keine zusätzliche Oberflächenbeschichtung und eignen sich damit sowohl für die Prozesskontrolle während der Fertigung aber auch für Wartungs- und Inspektionsaufgaben vor Ort. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.
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Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfkörpers vorgeschlagen, umfassend: eine Strahlungsquelle zur Abstrahlung elektromagnetischer Anregungsstrahlung in einem ersten Wellenlängenbereich Δλ1; eine Wärmebildaufnahmeeinheit zur Aufnahme eines Wärmebildes; und eine Strahlumlenkeinheit zum Richten der Anregungsstrahlung auf einen Teilbereich des Prüfkörpers und Führen der vom bestrahlten Teilbereich abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich Δλ2 zur Wärmebildaufnahmeeinheit, wobei die Strahlumlenkeinheit einen dichroitischen ersten Spiegel umfasst, der für die Anregungsstrahlung weitgehend undurchlässig ist und die Anregungsstrahlung von der Strahlungsquelle zum Prüfkörper reflektiert und die vom bestrahlten Teilbereich des Prüfkörpers abgestrahlte elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich Δλ2 zur Wärmebildaufnahmeeinheit durchlässt.
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Unter einem Prüfkörper wird in diesem Zusammenhang ein Werkstück, ein Bauteil, ein Halbzeug, ein bearbeitetes oder ein unbearbeitetes Material verstanden. Unter einem Teilbereich werden in diesem Zusammenhang die Oberfläche und oberflächennahe Bereiche des Prüfkörpers verstanden. Insbesondere sind in der Materialprüfung Risse, Inhomogenitäten, unerwünschte Einschlüsse, Störstellen und andere Defekte von Interesse.
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Ein wesentlicher Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass sie die Prüfung auf derartige Defekte, beispielsweise auf Risse (Rissprüfung), erlaubt, und dabei ein Blenden oder ein Beschädigen der Bildaufnahmeeinheit verhindert wird. Das ist von besonderer praktischer Bedeutung, beispielsweise bei aktiv thermographischen Prüfverfahren.
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Die Vorrichtung und das darauf basierende Verfahren sind damit insbesondere angepasst an die Inspektion eines Teilbereichs oder einer Oberfläche eines Werkstücks oder eines Teilbereichs oder einer Oberfläche eines unbearbeiteten oder bearbeiteten Materials. Der Prüfkörper kann ebenso einen Hohlraum im Sinne eines Lochs, eines Durchgangslochs, einer Bohrung und/oder einer Ausnehmung aufweisen, dessen Oberfläche bzw. Teilbereiche vollständig oder abschnittsweise geprüft werden sollen. Die beschriebene Vorrichtung bietet den Vorteil, dass durch die spezifische Gestaltung der Strahlumlenkeinheit umfassend den dichroitischen ersten Spiegel eine Anregungsstrahlung bzw. ein erstes optisches Signal Δλ1 daran gehindert werden kann, in die Wärmebildaufnahmeeinheit zu gelangen. Die Wärmebildaufnahmeeinheit kann so vor Beschädigung durch vom Prüfkörper in Richtung Bildaufnahmeeinheit reflektierte Anregungsstrahlung geschützt werden.
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Unter einem optischen Signal wird in diesem Zusammenhang eine elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,4 μm bis 20 μm, vorzugsweise von 0,4 μm bis 3 μm, beispielsweise im Bereich von 0,8 μm bis 1,0 μm verstanden. Die Anregungsstrahlung ist typischerweise kurzwelliger als die vom Prüfkörper abgestrahlte elektromagnetische Strahlung.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorstehend beschriebenen Vorrichtung, ist weiterhin eine Scanner-Einheit bzw. eine Abtasteinheit vorhanden, um die Anregungsstrahlung Δλ1 über den zu prüfenden Teilbereich (P) entlang eines vorgebbaren Bewegungspfades geführt wird.
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Das heißt, dass die Vorrichtung so angepasst ist, dass die Anregungsstrahlung Δλ1, ein Strahl der Anregungsstrahlung Δλ1 oder ein Strahlbündel der elektromagnetischen Anregungsstrahlung Δλ1, die von einer Strahlungsquelle bereitgestellt wird, auf einem vorgebbaren Bewegungspfad geführt werden kann. Der Bewegungspfad kann unmittelbar mit Hilfe der Scanner-Optik, z. B. einem Scanner-Spiegel oder einem Spiegel-Array, bzw. mit einer „Abtast-Optik” oder mit einem „Abtastspiegel” oder mit einem „Abtastspiegel-Feld” – die hier als Abtasteinheit bezeichnet werden – realisiert sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform definiert die Strahlumlenkeinheit einen Strahlengang. Dabei ist der dichroitische erste Spiegel so im Strahlengang angeordnet, dass die Anregungsstrahlung Δλ1 entlang des Strahlengangs zum zu prüfenden Teilbereich des Prüfkörpers geführt wird. Beispielsweise werden so die Nachteile einer schrägen Inzidenz der Wärmebildaufnahme bei senkrechter Anregung (bezogen auf die Oberflächen-Normale) vermieden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin einen zweiten Spiegel auf, der so auf einer optischen Achse mit dem dichroitischen ersten Spiegel und der Wärmebildaufnahmeeinheit in der Strahlumlenkeinheit angeordnet ist, dass die vom dichroitischen ersten Spiegel reflektierte Anregungsstrahlung Δλ1 zum zweiten Spiegel gelangt und vom zweiten Spiegel auf den Teilbereich reflektiert wird, und die vom Teilbereich abgestrahlte elektromagnetische Strahlung Δλ2 vom zweiten Spiegel zum dichroitischen ersten Spiegel reflektiert wird, diesen passiert und in die Wärmebildaufnahmeeinheit gelangt.
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Typischerweise beträgt der Einfallswinkel der Anregungsstrahlung auf der jeweiligen Oberfläche bzw. dem Oberflächenabschnitt des zu prüfenden Teilbereichs etwa 90°, bzw. ist der Einfallswinkel der Anregungsstrahlung auf der jeweiligen Oberfläche des Prüfkörpers im Wesentlichen ein rechter Winkel. Die dann vom Teilbereich des Prüfkörpers abgestrahlte elektromagnetische Strahlung liegt in einem zweiten Wellenlängenbereich Δλ2 und trifft vom Teilbereich oder dessen Oberfläche aus auf den zweiten Spiegel, der sie zum dichroitischen ersten Spiegel reflektiert.
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Auf Grund der angepassten Reflexions- bzw. Transmissionseigenschaften des dichroitischen ersten Spiegels passiert die emittierte elektromagnetische Strahlung den dichroitischen ersten Spiegel und gelangt in die verwendete Detektionseinheit. Das emittierte Signal Δλ2 kann beispielsweise Anteile einer Lumineszenz- oder Fluoreszenz-Strahlung aufweisen. Ebenso kann die emittierte elektromagnetische Strahlung, bzw. das korrespondierend zur Anregungsstrahlung auftretende zweite optische Signal im Wellenlängenbereich Δλ2 eine Wärmestrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 1,0 μm und 20 μm, beispielsweise zwischen 3 μm bis 20 μm, insbesondere zwischen 3 μm und 6 μm oder zwischen 7 μm und 14 μm sein. Unabhängig von der jeweils auftretenden oder des für Prüfzwecke jeweils interessierenden Wellenlängenbereichs, ist die Vorrichtung so hergerichtet, dass die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich mit Hilfe der Bilderfassungseinheit erfasst bzw. detektiert werden kann.
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Zusätzlich kann, beispielsweise, ein geeignetes Kantenfilter oder mehrere geeignete Kantenfilter in den Strahlengang zwischen dichroitischem Spiegel und Bilderfassungseinheit (Detektor) angeordnet sein. Vorteile derartiger Ausführungsformen bestehen beispielsweise darin, dass je nach Material und Prüfaufgabe, unterschiedliche Effekte oder verbesserte Materialkontraste erfasst werden können.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei einer zusätzlich geeigneten Gestaltung von Befestigungsmitteln der Spiegel in den Innenraum eingeführt wird während die Vorrichtung auf einen oberen Rand des zu inspizierenden Hohlraumes aufgesetzt wird. Das gestattet beispielsweise die Aufnahme von Wärmebildern, die von Verwacklungen weitestgehend frei sind.
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Gemäß einer abgewandelten Form der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, wobei der zweite Spiegel zumindest eine Planspiegelfläche aufweist. Das bietet den Vorteil, dass beispielsweise mit einem Spiegel in Form eines Polyeders oder eines Polyeder-Elements, der ja zumindest eine Planspiegelfläche aufweist, mehrere planare Spiegelflächen von einem Lichtstrahl eines ersten optischen Signals auf die innere Oberfläche bzw. einen inneren Teilbereich des zu prüfenden Hohlraumes geworfen werden können um den Prüfling an verschiedenen Arealen gleichzeitig zu inspizieren. Beispielsweise kann die Planspiegelfläche eine der Seitenflächen einer Pyramide oder eines Tetraeders sein.
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Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist die Strahlumlenkeinheit so angepasst, dass der zweite Spiegel relativ zum ersten Spiegel verschiebbar ist oder dessen Orientierung relativ zum ersten Spiegel änderbar ist, beispielsweise kippbar. Das bietet den Vorteil, das im Verein mit der durch den Scanner bewirkten Strahlführung entlang eines Bewegungspfades gezielt Abschnitte der inneren Oberfläche des Hohlraumes oder die vollständige innere Oberfläche abgerastert (gescannt) werden können.
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Gemäß einer Variante der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, wobei der zweite Spiegel drehbar um eine parallel zur gemeinsamen optischen Achse von erstem und zweitem Spiegel angeordnete Rotationsachse gelagert ist. Diese Rotationsachse kann ebenso mit einer Symmetrieachse der Vorrichtung zusammenfallen. Die drehbar gelagerte Spiegelfläche kann ebenso eine Fläche eines Polyeders sein. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass durch die Drehung der Spiegelfläche ein von der Spiegelfläche auf die Innenfläche eines Hohlraumes, eines Lochs oder einer Ausnehmung reflektierte Strahl dort eine Bahn überstreicht und nicht nur auf einen einzelnen Punkt der Oberfläche bzw. des Teilbereichs trifft. Dementsprechend kann ein „fliegender Fleck” zur aktiven thermografischen Analyse einer zu prüfenden Oberfläche erzeugt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der zweite Spiegel zumindest abschnittsweise eine Spiegelfläche auf, die eine Oberfläche eines Rotationskörpers oder einen Abschnitt einer solchen ist. Insbesondere kann der Rotationskörper ausgewählt sein unter einem Kegel, einem Kegelstumpf, einem Rotationsparaboloiden, einem Rotationsellipsoid, einem Kugelsegment, oder einer Kugelschicht. Dementsprechend kann die besagte Spiegelfläche zumindest abschnittsweise eine Oberfläche oder ein Oberflächenausschnitt der benannten Rotationskörper sein. Das hat den Vorteil, dass bei geeigneter Strahlführung des ersten optischen Signals je nach Krümmungsgrad der Spiegelfläche (konvex oder konkav) größere oder kleinere Oberflächensegmente des zu prüfenden Teilbereichs bzw. von dessen Oberfläche überstrichen und in der Bilderfassungseinheit verkleinert oder vergrößert abgebildet werden können.
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Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass beispielsweise bei der Verwendung eines Kegelspiegels als zweitem Spiegel auf eine Rotation des zweiten Spiegels verzichtet werden kann. Die vom „fliegenden Fleck” jeweils überstrichene Bahn resultiert allein aus dem Abstand des zweiten Spiegels zum oberen Rand des Hohlraumes und einer Bewegung des ersten Spiegels (Schwenken, Kippen), oder der Bewegung (Modulation) des auf den ersten Spiegel treffenden Lichtstrahls des ersten optischen Signals, das von der Lichtquelle Q ausgesandt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der erste Spiegel der Vorrichtung eine konkave Spiegelfläche auf. Das ermöglicht eine Bündelung eines eingestrahlten ersten Signals und eröffnet den Vorteil einer höheren Energiedichte beim Auftreffen der Anregungsstrahlung auf der zu prüfenden Oberfläche. Ein weiterer Vorteil besteht in der Optimierung und Anpassung des Strahldurchmessers auf der zu prüfenden Oberfläche an die zu untersuchende Messfläche.
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Die gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgeschlagene Vorrichtung weist einen dichroitischen ersten Spiegel auf, der schwenkbar um zumindest eine Schwenkachse gelagert ist. Diese zumindest eine Achse kann beispielsweise rechtwinklig zu einer zentralen Symmetrieachse der Vorrichtung bzw. zu der Achse liegen, auf der die Spiegel und die Bilderfassungseinheit anordenbar sind. Der dichroitische erste Spiegel kann beispielsweise so drehbar gelagert sein, dass er um zwei Achsen bewegt bzw. geschwenkt werden kann, um den Pfad des Anregungsfleckes auf der Probe zu generieren. Dies hat den Vorteil, dass die Anregungsquelle lediglich einen ortsfesten Anregungsstrahl bereitstellt und keine gesonderte Abtasteinheit, bzw. kein gesonderter Scanner erforderlich ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der dichroitische erste Spiegel typischerweise eine Reflektivität R von R > 80% für den Wellenlängenbereich von 0,4 μm bis 3 μm, insbesondere für einen Bereich von 0,4 μm bis 1,0 μm, beispielsweise eine Reflektivität von R > 99% für einen Bereich von 0,8 μm bis 1,0 μm und eine Durchlässigkeit T von typischerweise T > 50% im Wellenlängenbereich von 3 μm bis 20 μm, beispielsweise T > 90% für Wellenlängenbereiche zwischen 3 μm und 6 μm oder zwischen 7 μm und 14 μm auf.
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Typischerweise sind die Eigenschaften des dichroitischen ersten Spiegels angepasst an die eingesetzte elektromagnetische Anregungsstrahlung. Die Wellenlänge bzw. der erste Wellenlängenbereich Δλ1, bzw. dessen Banden- oder Linienmuster ergibt sich aus der Natur des jeweiligen Strahlers Q. Typischerweise ist die Strahlungsquelle ausgewählt unter einer Strahlungsquelle für kontinuierliche Strahlung und/oder einer Strahlungsquelle für diskontinuierliche Strahlung, insbesondere unter einem Laser, beispielsweise einem NdYAG-Laser, einem Diodenlaser, einem He-Ne-Laser, einem Farbstofflaser, einem Ti:Saphir-Laser, oder einer lichtemittierenden Diode – beziehungsweise LED, einer organischen Leuchtdiode – beziehungsweise OLED, einer Blitzlichtlampe, einer Blitzlichtlampe mit Kurzpassfilter, einer Halogenlampe, einer Halogenlampe mit Kurzpassfilter, oder einer gepulsten Strahlungsquelle.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein thermografisches Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung einer äußeren oder inneren Oberfläche eines Prüfkörpers, bzw. eines äußeren oder inneren Teilbereichs eines Prüfkörpers bereitgestellt, welches die nachfolgenden Tätigkeiten oder Verfahrensbestandteile umfasst: Bereitstellen einer elektromagnetischen Anregungsstrahlung in einem ersten Wellenlängenbereich Δλ1; Reflektieren der Anregungsstrahlung über einen dichroitischen ersten Spiegel auf die Oberfläche des Prüfkörpers, wobei der dichroitische erste Spiegel die Anregungsstrahlung reflektiert und von der zu prüfendenden Oberfläche, bzw. dem zu prüfenden Teilbereich, abgestrahlte elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereichs Δλ2 durchlässt; Aufnehmen eines Wärmebildes unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich Δλ2, die nach Anregung durch die Anregungsstrahlung von der zu prüfenden Oberfläche des Prüfkörpers (bzw. vom Teilbereich) abgestrahlt und durch den dichroitischen ersten Spiegel in eine Wärmebildaufnahmeeinheit gelangt; und Auswertung des Wärmebildes.
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Vorteile ergeben sich aus der einfachen Gestaltung und flexiblen Anwendbarkeit des Verfahrens auf hoch-reflektierende Oberflächen, beispielsweise spiegelnd bearbeitete Oberflächen metallischer oder keramischer Materialien. Ebenso können spiegelnde Polymermaterialien oder spiegelnd gemachte Polymermaterialien auf Defekte analysiert werden. Beispielsweise kann die Qualität oder Unversehrtheit einer gekrümmten Spiegelschicht geprüft werden. Der durch spiegelnde Oberflächen bei direkter Inzidenz auftretende Effekt des Blendens der Bilderfassungseinheit kann so vermieden werden.
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Optional kann dabei ein Verändern eines Messortes durch ein Verändern der Richtung der Anregungsstrahlung und/oder ein Verändern der Position eines Spiegels, über den die Anregungsstrahlung auf das Material reflektiert wird, erfolgen. Wurde so ein erstes Bild oder ein erstes Bildelement aufgenommen, so kann anschließend ein erneutes Bild oder Bildelement eines Wärmebildes gemäß dem jeweils vorausgehenden Schritt und diesen voraussetzenden Verfahrensbestandteilen aufgenommen werden.
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An die Aufnahme eines oder mehrerer Wärmebilder kann sich beispielsweise ein Verfahrensbestandteil einer thermografischen Analyse unmittelbar anschließen. Ebenso aber ist die thermografische Analyse einer zeitlichen Abfolge von Wärmebildern möglich. Dazu wird ein entlang der Zeitachse angeordneter Verlauf von Einzelaufnahmen zu einem Messfilm zusammengestellt. Dieser Messfilm gibt das zerstörungsfrei zu prüfende Teilgebiet des Materials und/oder Werkstücks und/oder beispielsweise die innere Oberfläche des zu prüfenden Hohlraumes wieder. Abschließend kann dann die thermografische Analyse dieses Messfilms durchgeführt werden. Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich insbesondere aus der mit dem realisierten Strahlverlauf ermöglichten thermographischen Analyse unter einem der jeweiligen Mess-Situation anpassbaren Winkel.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein thermografisches Verfahren vorgeschlagen, wobei die Anregungsstrahlung so geführt wird, dass sie im Wesentlichen rechtwinklig auf die Oberfläche des Prüfkörpers bzw. des zu prüfenden Teilbereichs trifft.
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Wie aus der oben bereits erläuterten Vorrichtung ersichtlich und nachfolgend noch detailliert beschrieben, stellt die stets im Wesentlichen rechtwinklige Anregung und die Detektion der unter einem im Wesentlichen gleichen rechten Winkel von der Oberfläche bzw. aus der Tiefe des untersuchten Teilbereichs des Materials oder Werkstücks über die Oberfläche abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung einen besonderen Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens bzw. der jenem zu Grunde liegenden Vorrichtung dar.
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Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens umfasst – korrespondierend zu den bereits beschriebenen Merkmalen der vorgeschlagenen Vorrichtung – das Bereitstellen eines zweiten Spiegels, der so auf einer Achse mit dem dichroitischen ersten Spiegel und der Wärmebildaufnahmeeinheit angeordnet ist, dass die vom dichroitischen ersten Spiegel reflektierte elektromagnetische Anregungsstrahlung zum zweiten Spiegel gelangt und vom zweiten Spiegel auf die Oberfläche des Prüfkörpers, bzw. auf den interessierenden Teilbereich des Prüfkörpers reflektiert wird; und die von der Oberfläche des Prüfkörpers bzw. vom Teilbereich abgestrahlte elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich auf den zweiten Spiegel trifft und von diesem zum dichroitischen ersten Spiegel reflektiert wird, diesen passiert und in die Wärmebildaufnahmeeinheit gelangt. Vorteile dieser Ausführungsform bestehen beispielsweise darin, dass dadurch auch die Oberflächen eines Bauteils erreicht werden können, die allein über den ersten Spiegel nicht erreichbar sind, beispielsweise Seitenwände eines Hohlraumes in einem Prüfkörper.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst das vorgeschlagene thermografische Verfahren weiterhin ein Verändern des Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel, um einen Messort auf der Oberfläche des Prüfkörpers zu ändern. Damit wird ein Wandern der auf dem Werkstück, Halbzeug bzw. Material oder einer ihrer Oberflächen auftreffenden Anregungsstrahlung und die synchron oder zeitversetzt dazu erfolgende Detektion der Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich Δλ2 gemäß typischen thermografischen Analysetechniken ermöglicht. Dieses Wandern bzw. das so ermöglichte Abrastern einer zu prüfenden Oberfläche kann durch eine Bewegung des Prüflings relativ zur Vorrichtung oder umgekehrt erfolgen.
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Dieses Wandern bzw. Führen eines auf dem Material auftreffenden Strahls oder Strahlbündels elektromagnetischer Anregungsstrahlung bzw. das Abrastern eines Abschnitts des Prüflings ist aber mit der beschriebenen Vorrichtung ebenso möglich, wenn lediglich der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel abgestimmt zum Erfassen des zweiten optischen Signals geändert wird. Das Verändern des Abstands kann ebenso zwischen aufeinanderfolgenden Verfahrensbestandteilen „Bereitstellen der Anregungsstrahlung” bzw. „Bereitstellen eines ersten optischen Signals” und „Erfassen des zweiten optischen Signals” bzw. „Detektieren eines Emissionssignals” durchgeführt werden. Dazu kann beispielsweise auch der Abstand zwischen dem zweiten Spiegel und einem oberen Rand des inspizierten Hohlraumes verändert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird somit ein Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung vorgeschlagen, wobei der Prüfkörper ein Motorblock und/oder Bestandteil eines Verbrennungsmotors und die zu prüfende Oberfläche die innere Oberfläche einer Zylinderbohrung ist. Hierbei wird die Anregungsstrahlung an einem Messort bzw. Probenabschnitt P im Wesentlichen senkrecht auf die zu prüfende Oberfläche eingestrahlt. Die im Wesentlichen senkrecht von der Oberfläche des zu prüfenden Probenabschnitts abgestrahlte Strahlung gelangt durch den dichroitischen Spiegel zur Wärmebildaufnahmeeinheit.
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Gemäß typischer Ausführungsformen wird somit eine Vorrichtung wie vorstehend beschrieben oder ein thermografisches Verfahren gemäß der vorstehenden beschriebenen Ausführungsformen vorgeschlagen, wobei der erste Wellenlängenbereich Δλ1 zwischen 0,4 μm und 20 μm, vorzugsweise zwischen 0,4 μm und 3 μm, beispielsweise zwischen 0,8 μm und 1,0 μm liegt und/oder der zweite Wellenlängenbereich Δλ2 zwischen 1,0 μm und 20 μm, beispielsweise zwischen 3 μm bis 20 μm, insbesondere zwischen 3 μm und 6 μm oder zwischen 7 μm und 14 μm liegt. Hierdurch ist eine strikte spektrale Trennung zwischen der elektromagnetischen Anregungsstrahlung, welche eine Temperaturverteilung im Prüfkörper hervorruft und von diesem teilweise reflektiert wird, und der vom Prüfkörper abgestrahlten und zu seiner Temperaturverteilung korrespondieren elektromagnetischen Wärmestrahlung gewährleistet.
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Die dabei eingesetzte Strahlungsquelle liefert das erste optische Signal bzw. die Anregungsstrahlung im ersten Wellenlängenbereich Δλ1. Typischerweise ist diese Strahlungsquelle ausgewählt unter: einem Laser, einer LED (Leuchtdiode), einer OLED (organischen Leuchtdiode), einer Blitzlichtlampe, einer Blitzlichtlampe mit Kurzpassfilter, einer Halogenlampe, einer Halogenlampe mit Kurzpassfilter, oder einer gepulsten Lichtquelle. Vorteile einer gepulsten elektromagnetischen Anregungsstrahlung ergeben sich insbesondere bei einer mit der Pulsrate abgestimmten (synchronisierten) Rotation einer planaren Spiegelfläche und/oder einer darauf abgestimmten (synchronisierten) Aufnahme der Einzelbilder des Messfilmes für die reproduzierbare Aufnahme eines aus einer vorbestimmten Anzahl von Einzelbildern bestehenden Messfilms. Die Verwendung einer gepulsten Lichtquelle verhindert insbesondere eine durch die Bewegung des Lichtflecks über die Probenoberfläche und gleichzeitige Aufnahme des Messfilms mit definierter Belichtung jedes Einzelbildes verursachte Verschmierung der induzierten Temperaturverteilung in der Probe (nachgezogener Schweif). Daraus ergibt sich eine erhöhte Aussagekraft der von der Bilderfassungseinheit aufgenommenen Bilder.
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Gemäß typischer Ausführungsformen wird ein thermografisches Verfahren vorgeschlagen, wobei das erste optische Signal Δλ1 eine Wellenlänge im Bereich 0,4 μm bis 20 μm, vorzugsweise zwischen 0,4 μm und 3 μm, beispielsweise zwischen 0,8 μm und 1,0 μm aufweist.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und ihre einzelnen Varianten und Elemente können beliebig miteinander kombiniert werden.
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Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der vorstehend beschriebenen Prinzipien. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechend ähnliche Teile.
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1 zeigt einen zur zerstörungsfreien thermografischen Rissprüfung eingesetzten Algorithmus mittels optisch angeregter aktiver Thermografie.
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2 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform zur thermografischen Rissprüfung mittels optisch angeregter aktiver Thermografie.
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3 zeigt Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform zur thermografischen Rissprüfung von Hohlräumen insbesondere am Beispiel einer Zylinderinnenfläche mittels optisch angeregter aktiver Thermografie mit einem rotierenden Planspiegel.
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4 zeigt eine Modifikation der Vorrichtung aus 3.
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Das rechtzeitige Erkennen von Rissen kann die Bewertung der strukturellen Integrität insbesondere von sicherheitsrelevanten und stark belasteten Komponenten entscheidend vereinfachen. Das Spektrum reicht dabei von mikroskopischen Rissen, welche die Materialeigenschaften nachteilig beeinflussen, bis hin zu katastrophalen Unfällen im Personenverkehr, die auf das Wachstum von Ermüdungsrissen zurückgeführt werden können.
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Durch die zerstörungsfreie Prüfung während der Fertigung oder im laufenden Betrieb lassen sich solche Fehlerquellen häufig nachweisen noch bevor ein Schaden entsteht und ohne dabei selbst Schaden anzurichten. Je früher dies geschieht, desto eher lassen sich die erkannten Fehler beheben oder beschädigte Bauteile ersetzen. Dazu kann sehr effizient die aktive Thermografie eingesetzt werden, welche sich die Unterschiede in den thermischen Eigenschaften, verursacht durch ebendiese Fehler, zu Nutze macht.
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Bei der aktiven Thermografie wird Energie unter anderem in Form von Strahlung, z. B. mit Hilfe eines Lasers oder einer fokussierten Lampe über die zu prüfende Oberfläche in das zu prüfende Bauteil eingebracht. Im Bauteil vorhandene Risse erzeugen lokal einen erhöhten lateralen thermischen Widerstand und führen somit zu einer inhomogenen Wärmeausbreitung im Bauteil. Anhand der daraus resultierenden Verteilung der Oberflächentemperatur können mit Hilfe einer Wärmebilderfassungseinheit, beispielsweise einer Infrarotkamera (IR-Kamera), diese Risse detektiert werden. Neben Rissen können auch andere, vorwiegend normal zur Oberfläche orientierte Fehlstellen, wie z. B. Delaminationen, Poren, Materialvariationen, etc. detektiert werden, auch wenn sie unter oberflächlichen Schichten (Überdeckungen) verborgen sind. Nachfolgend steht die Fehlerklasse der Risse stellvertretend und beispielhaft für alle thermografisch detektierbaren Fehler. Die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Vorrichtung und der vorgeschlagenen Verfahren ist mithin nicht auf die Rissprüfung beschränkt, sondern für die allgemeine Werkstoffprüfung, die automatische optische Inspektion von Oberflächen und Baugruppen mit Hilfe optischer Nachweisverfahren bestimmt. Solch eine rein optische Prüfung arbeitet vollständig berührungslos, ist zerstörungsfrei, schnell und automatisierbar.
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Das der thermografischen Risserkennung zugrunde liegende Verfahren beruht auf der thermografischen Detektion der Asymmetrie in der transienten Temperaturverteilung an der Oberfläche des Prüfkörpers in der unmittelbaren Umgebung der durch die optische Anregung eingebrachten und durch das Vorhandensein von Rissen in ihrer Ausbreitung gestörten Wärme.
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Das in 1 dargestellte Schema des Algorithmus zur Risserkennung veranschaulicht den Weg von der Datenaufnahme zur Fehleranzeige. Zunächst wird die Probe mit dem fokussierten optischen Strahl (hier z. B. Laser) abgescannt und die dadurch induzierte Temperaturverteilung an der Prüfkörperoberfläche von der Bilderfassungseinheit, beispielsweise einer im nahen Infrarotbereich oder Infrarotbereich empfindlichen Kamera (IR-Kamera) detektiert. Im so erhaltenen Messfilm der Rohdaten können Risse anhand von Intensitätssprüngen in der thermischen Signatur des Lasers erkannt werden (b). Diese Anzeigen lassen sich durch die Anwendung von Ableitungen (w. E., willkürliche Einheiten) in beide Raumrichtungen der Messebene verstärken (a, c). Für jeden Pixel treten die maximale (positive und negative) Werte beim direkten Durchlauf des Lasers auf, beim Durchlauf des Lasers in der unmittelbaren Nähe kommt es zu kleineren Ausschlägen (d, e). Um diese extremen Werte für jeden Pixel in einem einzigen Bild zusammenzufassen, werden beide abgeleiteten Messfilme für jeden Pixel entlang der Zeitachse in Reihenfolge der erreichten Werte in einen einzigen Messfilm sortiert (f). Ein geeignetes Einzelbild aus diesem Datensatz enthält dann alle relevanten Fehleranzeigen (g). Dabei enthält dieses Einzelbild entweder die Extremalwerte (höchste negative bzw. positive Ableitungen), d. h. n = 1 bzw. n = max oder Werte aus der Nähe dieser Extremalwerte, wie z. B. n = 4. Auf diese Art und Weise können lokale Fluktuationen, die beispielsweise durch Kamerarauschen oder durch das Verbrennen von an der Oberfläche anhaftenden Verunreinigungen verursacht sind, zuverlässig unterdrückt werden.
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Für die Prüfung werden in der sogenannten Reflexionsanordnung die Wärmebilderfassungseinheit (Kamera) und die ein erstes optisches Signal aussendende Anregungsquelle möglichst senkrecht vor dem Prüfling angeordnet. Bei Oberflächen mit hoher Reflektivität für die Anregungswellenlänge, z. B. bei jeglichen glatten Oberflächen, bei denen eine gerichtete Reflexion auftritt, wie sie insbesondere bei unbeschichteten Metallen häufig vorkommen, besteht die Gefahr der Einkopplung der Anregungsstrahlung in die Kamera. Dies kann zu Störsignalen, die auch bei einer ungerichteten Reflexion eine Messung unmöglich machen, oder, im schlimmsten Fall, zu einer Beschädigung der Kamera führen.
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Um direkt eine Prüfung von schwer zugänglichen Hohlräumen, z. B. den Innenwänden der Zylinder von Verbrennungsmotoren zu ermöglichen, ist eine konventionelle Anordnung, die aus Kamera und Anregungsquelle besteht, typischerweise zu groß.
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Mithin bleibt bei konventionellem Vorgehen nur die Möglichkeit, Anregung und Detektion in schräger Inzidenz durchzuführen. Daraus ergibt sich eine Reihe schwerwiegender Nachteile, da eine schräge Inzidenz zu einer ineffektiven und inhomogenen Anregung und Detektion aufgrund der winkelabhängigen Absorptions- und Emissionsgrade führt. Des Weiteren können bei solch einer Anordnung die Anregungsquelle und die Detektionseinheit ihre Strahlengänge gegenseitig verdecken. Auch bei der schrägen Inzidenz kann ohne die nachfolgend beschriebene Vorrichtung eine Reflexion der Anregungsstrahlung in die IR-Kamera auftreten, beispielsweise durch Oberflächenunebenheiten oder Oberflächenrauhigkeiten (z. B. durch die Oberflächenrisse selbst).
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Im Folgenden werden Vorrichtungen gemäß einiger Ausführungsformen, die in den 2 bis 4 gezeigt sind, beschrieben, welche eine berührungslose thermografische Prüfung an reflektierenden Oberflächen und in schwer zugänglichen Hohlräumen, insbesondere den Innenwänden von Zylindern, ermöglichen.
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Die optische Anregung der zu prüfenden Wandfläche W mittels Quelle Q des Wellenlängenbereichs Δλ1 eines ersten optischen Signals erfolgt über einen, beispielsweise um 45° gekippten dichroitischen Spiegel S1, der reflektierend für Δλ1 ist und über einen optional rotierenden Planspiegel S2, der reflektierend für Δλ1 und für Δλ2 ist. Alternativ zum rotierenden Planspiegel kann die Reflexion an einem Kegelspiegel S3 erfolgen, der reflektierend für Δλ1 und Δλ2 ist.
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Dabei wird hier unter einem Wellenlängenbereich Δλ1 ein optisches Signal in einem ersten Wellenlängenbereich verstanden und hier als „erstes optisches Signal” oder als „elektromagnetische Anregungsstrahlung” bezeichnet. Unter einem Wellenlängenbereich Δλ2 wird hier ein optisches Signal in einem zweiten Wellenlängenbereich verstanden. Das optische Signal im zweiten Wellenlängenbereich Δλ2 wird nachfolgend auch „zweites optisches Signal” oder als „elektromagnetische Emission” oder „emittierte elektromagnetische Strahlung” oder „emittiertes Signal” genannt.
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Typische Quellen Q sind fokussierte Strahlungsquellen, wie z. B. ein Diodenlaser mit Fokus auf W, und einem Scanner (nicht gezeigt) welcher den Strahl mittels der Spiegel so über W bewegt, dass eine dichte Abrasterung des Teilgebietes P von W möglich ist. Für die unterschiedlichen Ausprägungen der Vorrichtung sind hierzu unterschiedliche Bewegungspfade B notwendig bzw. vorteilhaft. Für die direkte Prüfung einer zugänglichen Oberfläche (2) kann z. B. ein mäanderförmiger Bewegungspfad benutzt werden. Für die Hohlraumprüfung mit einem Planspiegel wie in 3 als S2 bezeichnet, kann aus einer zusammengesetzten Bewegung des Spiegels (Rotation) und des Scanners (lineare Pendelbewegung) ein ähnlicher Pfad erzeugt werden. Im Falle des in 3 dargestellten Kegelspiegels S3 kann z. B. ein spiralförmiger Pfad benutzt werden. Weitere Geometrien der Pfade sind in Abhängigkeit von der Steuerung der Scannereinheit (Abtasteinheit) leicht realisierbar. Damit kann der Bewegungspfad der jeweiligen Topographie einer Oberfläche oder besonderen Anforderungen angepasst werden. Beispielsweise können einzelne Probenareale P oder Teilbereiche genauer oder mit höherer Auflösung inspiziert werden oder erste Übersichtsbilder geringerer Auflösung aufgenommen werden, bevor ein hochauflösendes Abrastern erfolgt.
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Die Detektion der resultierenden Temperaturverteilung auf der Teilfläche P mittels der Wärmebilderfassungseinheit K, beispielsweise einer IR-Kamera, kann mit Hilfe einer Strahlumlenkeinheit U erfolgen. Die Strahlumlekeinheit U ist so eingerichtet, dass die resultierende Temperaturverteilung im Wellenlängenbereich Δλ2 entweder direkt oder über einen dichroitischen ersten Spiegel S1 erfolgt, wobei S1 teiltransparent für Δλ2 ist. Ebenso kann die Strahlumlenkeinheit U so angepasst sein, dass die Detektion der Temperaturverteilung über den dichroitischen ersten Spiegel S1 und einen zweiten Spiegel S2 bzw. S3 erfolgen. Im Falle der Prüfung eines Hohlraumes (vgl. 3 und 4) befinden sich Q, K, S1 dabei außerhalb und S2 bzw. S3 innerhalb des Hohlraumes, der durch durch die Wandfläche W gebildet wird. Die Strahlumlenkeinheit U verhindert zuverlässig, dass vom Prüfkörper reflektierte oder gestreute Anregungsstrahlung im ersten Wellenlängenbereich Δλ1 in die Bildaufnahmeeinheit gelangt und dort Schaden verursacht.
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Gemäß einer typischen Ausführungsform ist die Vorrichtung damit zur zerstörungsfreien Prüfung einer Oberfläche angepasst, welche beispielsweise die innere Oberfläche eines Hohlraumes im Prüfkörper ist. Die besondere Anpassung an diese Oberflächen bzw. Prüfaufgaben kann beispielsweise darin bestehen, dass der zweite Spiegel vollständig innerhalb des Hohlraumes anordenbar ist. Dadurch kann gewährleistet werden, dass der bevorzugte Einfallswinkel (Inzidenz) nach wie vor typischerweise ein rechter Winkel ist. Bemerkenswert bei der Anordnung des zweiten Spiegels im Inneren des Hohlraumes ist, dass die oben beschriebene Anordnung der Spiegel und der Wärmebildaufnahmeeinheit auf einer optischen Achse nicht aufgegeben wird. Die Vorteile der damit erreichbaren Inzidenz und einer unter dem gleichen rechten Winkel erfolgenden Detektion der im zweiten Wellenlängenbereich emittierten elektromagnetischen Strahlung bestehen bei der jeweils eingesetzten Bilderfassungseinheit beispielsweise in der größtmöglichen Aussagekraft und Empfindlichkeit der thermografischen Analyse.
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Der dichroitische Spiegel S1 ist so beschaffen, dass er hoch reflektierend für die Anregungsstrahlung im Wellenlängenbereich Δλ1 des ersten optischen Signals und teiltransparent für den Wellenlängenbereich Δλ2 des zweiten optischen Signals ist, in welchem die IR-Kamera empfindlich ist. Dabei kann der erste dichroitische Spiegel S1 entweder plan sein oder so gestaltet sein, dass die Anregungsstrahlung fokussiert wird.
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Die Spiegel S2 und S3 sind so beschaffen, dass sie sowohl Δλ1 als auch Δλ2 sehr gut reflektieren, insbesondere eignen sich metallische Spiegel auf Gold- oder Silberbasis.
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Die beiden beispielhaft gezeigten Ausführungsarten der Vorrichtung zur Hohlraumprüfung gemäß den 3 und 4 bieten unterschiedliche Möglichkeiten, die zerstörungsfreie Prüfung mittels aktiver Thermografie an die jeweilige Messaufgabe anzupassen.
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Bei Verwendung eines rotierenden Planspiegels S2 gemäß 3 bleibt die Fokussierung des Anregungsstrahls auf die Oberfläche P erhalten, für die komplette Abrasterung der Innenfläche ist jedoch eine synchronisierte Bewegung des Scanners (nicht gezeigt) in Q und des Spiegels S2 notwendig. Der Kegelspiegel S3 hingegen erlaubt gegenüber einem Planspiegel die gleichzeitige Anregung eines größeren Bereichs der Probenoberfläche P.
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Die Fokussierung des Anregungsstrahls wird aufgrund der konvexen Spiegeloberfläche S3 senkrecht zur dargestellten Schnittebene aufgeweitet und ist damit vergleichbar mit dem Effekt, den eine schnelle Rotation von S2 bei langer Kamerabelichtungszeit hätte. Der Vorteil des Kegelspiegels liegt in der Vereinigung der Bewegung des Strahls des ersten optischen Signals in Q ohne eine zusätzliche Rotation des zweiten Spiegels S2.
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Die beschriebene Vorrichtung wird nach Prüfung eines Gebietes relativ zur Wand W bewegt um das Prüfgebiet P entlang der zu prüfenden Wandfläche W zu bewegen und so eine vollständige Prüfung zu ermöglichen. Diese Bewegung kann erfolgen, indem entweder der zweite Spigel auf der Achse verschoben wird oder indem die gesamte Vorrichtung in Bezug zum untersuchten Werkstück bewegt wird.
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Durch die spektrale Trennung (Δλ1 ≠ Δλ2) der Anregungsstrahlung und der zweiten elektromagnetischen Strahlung, entsprechend dem detektierten Signal, kann größtenteils derselbe Strahlengang für Anregung und Detektion verwendet werden. Die somit ermöglichte senkrechte Inzidenz von Anregung und Detektion bzw. erstem optischen Signal und zweitem optischen Signal maximiert die Effizienz der Anregung und Detektion und führt zur Vereinfachung in der Auswertung, da Winkelabhängigkeiten vernachlässigt werden können.
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Als mögliche Quellen Q kommen breitbandige Lichtquellen wie z. B. Blitz- oder Halogenlampen, die mit Kurzpassfiltern ausgestattet werden können, oder schmalbandige Lichtquellen, wie beispielsweise Laser, LEDs oder OLEDs in Betracht. Divergente Strahlungsquellen müssen für die Rissprüfung zusätzlich fokussiert werden. Die dafür geeigneten Optiken sind dem Fachmann bekannt und werden deshalb hier nicht weiter betrachtet.
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Die Befestigung des Spiegels S2 bzw. S3 kann über eine Halterung H1 realisiert werden, wenn der Hohlraum beidseitig geöffnet ist, wie beispielsweise ein offener Zylinder. Ebenso kann die Halterung H1 auf der gegenüberliegenden Seite angebracht sein oder durch eine geeignete Haltevorrichtung beim Ansetzen und/oder Aufsetzen der mit dem ersten Spiegel versehenen Wärmebilderfassungseinheit in, an oder außerhalb einer Öffnung oder an deren oberem Rand erfolgen, wenn die über die Öffnung zugängliche innere Oberfläche eines Hohlraumes geprüft werden soll.
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Gemäß beispielhafter Ausführungsformen setzt die Halterung an der Kegelspitze von S3 an, um die Abschattung von Anregung und Detektion zu minimieren. Eine weitergehende Befestigung von S1 kann außerhalb des Strahlenganges über die Einfassung von S1 selbst erfolgen (nicht gezeigt).
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Das beschriebene berührungslose Prüfverfahren und die dafür eingesetzte Vorrichtung gestattet die Charakterisierung des Prüflings in dessen Originalzustand. Die geprüfte Oberfläche wird weder vor, noch während der Messung verändert oder verfälscht. Insbesondere ist bei Verwendung der beschriebenen Vorrichtung keine sonst üblicherweise zur Vermeidung von Reflexionen aufgebrachte zusätzliche Beschichtung des Prüflings mehr erforderlich, sodass das Verfahren beschichtungslos durchgeführt werden kann. Weiterhin wird durch die Vorrichtung und das darauf aufbauende Verfahren die zur Thermographie verwendete hochempfindliche Kamera nicht mehr gefährdet. Eine Beschädigung oder gar Zerstörungen durch reflektierte Mess-Strahlung, dadurch verursachte Diskontinuitäten im Prüfverfahren oder Reparaturkosten werden zuverlässig vermieden.
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Bei bisher bekannten Anordnungen stören die Strahlengänge von Anregungsquelle und Detektionseinheit einander. Diese Störung verhindert insbesondere die Prüfung von schwer zugänglichen und engen Hohlräumen. Im Gegensatz dazu, weist die hier beschriebene Vorrichtung und das Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung, insbesondere zur Rissprüfung in Hohlräumen diesen Nachteil nicht auf.
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Durch das Vermeiden der üblicherweise schrägen Inzidenz wird eine effektive und homogene Anregung für die hier beispielhaft beschriebene optisch angeregte aktive Thermografie ermöglicht. Dadurch kann die Detektion effektiviert werden. Messfehler, die durch einen vom jeweiligen Winkel abhängigen Absorptionsgrad und Emissionsgrad bedingt sind, können zuverlässig vermieden werden.
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Die Reflexion von Anregungsstrahlung in die Wärmebilderfassungseinheit (z. B. Thermokamera) kann zu Störsignalen, zum zeitweiligen oder vollständigen Ausfall und/oder der Beschädigungen der Kamera führen. Die bisher erforderliche Beschichtung oder das Auftragen von Speziallacken auf reflektierende Oberflächen entfällt. Damit kann die Zahl erforderlicher Prozessschritte verringert werden. Zudem wird die Oberfläche des Prüflings nicht mehr verändert.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung und die beschriebenen Verfahren zur thermografischen Rissprüfung sind somit automatisierbar, zerstörungsfrei, berührungslos und kommen ohne zusätzliche Verbrauchsmaterialien aus.
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Daraus ergeben sich höhere Prüftakte, objektivere Ergebnisse und vielfältigere Einsatzmöglichkeiten als bei den konventionellen Prüfverfahren, wie z. B. der Einsatz bei nicht elektrisch leitfähigen oder ferromagnetischen Materialien (vgl. Wirbelstromprüfung und Magnetpulverprüfung). Das Risiko eines wirtschaftlichen Schaden durch die Beschädigung einer Bildaufnahmeeinrichtung, beispielsweise einer hochempfindlichen Thermokamera, wird minimiert. Durch die spektrale Trennung von Anregung und Detektion kann größtenteils derselbe Strahlengang für Anregung und Detektion verwendet werden. Damit sind auch sehr enge Hohlräume einer örtlich hochaufgelösten Prüfung zugänglich.
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Die senkrechte Inzidenz von Anregung und Detektion maximiert die Effizienz der Anregung und Detektion und führt zur Vereinfachung in der Auswertung, da Winkelabhängigkeiten vernachlässigt werden können. Die Verwendung eines rotierenden Planspiegels bzw. einer rotierenden Planspiegelfläche bzw. die Verwendung eines Kegelspiegels oder anderer Spiegelformen in Kombination mit einem Laserscanner erlaubt die schnelle Prüfung von Hohlräumen.
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Damit wird insgesamt eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfkörpers, umfassend: eine Strahlungsquelle Q zur Abstrahlung elektromagnetischer Anregungsstrahlung in einem ersten Wellenlängenbereich (Δλ1); eine Wärmebildaufnahmeeinheit K zur Aufnahme eines Wärmebildes; und eine Strahlumlenkeinheit U zum Richten der Anregungsstrahlung auf einen Teilbereich P des Prüfkörpers und Führen der von dem bestrahlten Teilbereich P abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich Δλ2 zur Wärmebildaufnahmeeinheit K vorgeschlagen, wobei die Strahlumlenkeinheit U einen dichroitischen ersten Spiegel S1 umfasst, der für die Anregungsstrahlung weitgehend undurchlässig ist und die Anregungsstrahlung von der Strahlungsquelle Q zum Prüfkörper reflektiert und die vom bestrahlten Teilbereich P des Prüfkörpers abgestrahlte elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich Δλ2 zur Wärmebildaufnahmeeinheit K durchlässt. Weiterhin wird ein Thermografisches Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines äußeren oder inneren Teilbereichs P eines Prüfkörpers vorgeschlagen, umfassend: Bereitstellen einer elektromagnetischen Anregungsstrahlung in einem ersten Wellenlängenbereich Δλ1; Reflektieren der Anregungs-strahlung über einen dichroitischen ersten Spiegel S1 auf den Teilbereich P des Prüfkörpers, wobei der dichroitische erste Spiegel S1 die Anregungsstrahlung Δλ1 reflektiert und vom zu prüfendenden Teilbereich P abgestrahlte elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereichs Δλ2 durchlässt; Aufnehmen eines Wärmebildes unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich Δλ2, die nach Anregung durch die Anregungsstrahlung vom zu prüfenden Teilbereich P des Prüfkörpers abgestrahlt und durch den dichroitischen ersten Spiegel S1 in eine Wärmebildaufnahmeeinheit K gelangt; und Auswerten des Wärmebildes.
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Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.
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Bezugszeichenliste
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- Q
- Strahlungsquelle, Lichtquelle, Anregungsquelle
- B
- Bewegungspfad des Strahls der Strahlungsquelle;
- B
- Bewegung bzw. Bewegungspfad der Anregungsstrahlung
- K
- Bilderfassungseinheit, Kamera
- Δλ1
- erstes optisches Signal, erster optischer Wellenlängenbereich
- S1
- erster Spiegel
- S2
- zweiter Spiegel
- S3
- zweiter Spiegel in Form eines Kegelspiegels
- W
- Wandung, Innenwand, innere Oberfläche
- P
- untersuchter Probenabschnitt, Areal der Probe
- Δλ2
- zweites optisches Signal, zweiter optischer Wellenlängenbereich
- H1
- Halterung
