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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 197 03 484 A1 ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Materials auf tiefer liegende innere Fehler bekannt. Bei dem Verfahren wird durch den zu untersuchenden Bereich zwangsweise ein Wärmefluss erzeugt, der an inneren Fehlern des zu untersuchenden Bereiches gestört wird. Durch die Störung kommt es zu Rückwirkungen auf die Oberflächentemperaturverteilung, die mittels einer Temperaturmesseinrichtung in ihrem örtlichen und zeitlichen Verlauf erfasst und zur Fehlerdetektion ausgewertet wird.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 197 20 461 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung der inneren Kühlstruktur von Turbinenschaufeln, insbesondere von stationären Gasturbinen. Bei dem Verfahren wird von der zu prüfenden Turbinenschaufel ein Ausgangsthermographiebild mittels einer ersten Infrarotkamera aufgenommen, die zu prüfende Turbinenschaufel mittels Einblasen von Heißluft in deren Kühlstruktur kurzzeitig aufgeheizt, mindestens ein Thermographiebild von der so aufgeheizten Turbinenschaufel durch eine zweite Infrarot-Kamera aufgenommen und ein Differenzbild aus diesem mindestens einen Thermographiebild und dem Ausgangs-Thermographiebild erstellt.
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Die
US-Patentschrift US 4,644,162 A offenbart ebenfalls ein Verfahren, bei dem zur Kontrolle von Kühlkanälen in Turbinenschaufeln heiße Luft durch die Kühlkanäle geblasen wird. Die Erwärmung der Kühlkanäle und der zeitliche Verlauf der Erwärmung werden mit einer Infrarotkamera gemessen.
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Aus der japanischen Schrift
JP 2001 108 634 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine infrarotlichtempfindliche Farbschicht auf eine Oberfläche aufgebracht wird. Die infrarotlichtempfindliche Farbschicht wird anschließend mit Infrarotstrahlung bestrahlt, und es wird mit einer Infrarotkamera ein Infrarotbild der Farbschicht erzeugt, um etwaig vorhandene Oberflächendefekte zu visualisieren.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln des Schadensausmaßes eines Einschlagschadens, fachsprachlich auch ”Impact-Schaden” (Impact: Einwirkung) genannt, auf einer Oberfläche eines Körpers, insbesondere eines Karosserieteils eines Fahrzeugs.
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Bei der zerstörungsfreien Prüfung von Einschlagschäden, beispielsweise von Einschlagschäden an glasfaserverstärkten Kunststoffen, kommen derzeit üblicherweise Oberflächenrissprüfungen auf der Basis fluoreszierender Prüfflüssigkeiten oder Prüfverfahren auf der Basis von Ultraschall (Dopplungsprüfung) zum Einsatz.
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Für einige Fehlertypen sind die bisher angewandten Verfahren aussagekräftig, beispielsweise im Falle von Delaminationen oder im Falle von Spannungsrissen.
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Für hochbeanspruchte Bauteile oder Komponenten reichen diese Ergebnisse jedoch oft nicht aus, um einen Einschlagschaden im Ganzen beurteilen zu können. Die Folge davon können eine nicht korrekt ausgeführte Reparatur oder ein unnötiger kompletter Austausch von Komponenten sein, was im Falle großflächiger Bauteile einen erheblichen Kostenfaktor darstellen kann.
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Im Bereich der Bahntechnik werden die Frontteile von Triebwagen nach einem Wildschaden zum Beispiel üblicherweise mit Hilfe der oben bereits angesprochenen Farbeindringprüfung geprüft, der geschädigte Bereich detektiert und dieser großzügig ausgeschnitten. Anschließend erfolgt eine fachgerechte Reparatur, beispielsweise mit Hilfe von Fasermatten, die in den ausgeschnittenen Bereich eingepasst werden. Die Übergänge werden verspachtelt und geschliffen, danach erfolgen eine Grundierung und eine Neulackierung. Problematisch ist, dass im Falle eines zu kleinen Austausches des geschädigten Abschnittes nach einer Wiederinbetriebnahme des Triebwagens am Rand der Reparaturstelle unter Umständen neue Risse auftauchen können, zum Teil als Rissnetzwerke. Diese Risse machen in der Folge eine erneute Reparatur notwendig, so dass sich die Reparaturkosten verdoppeln können.
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Das Übersehen bzw. Nichtdetektieren von Rissen im Bereich des Einschlagschadens kann beispielsweise darauf zurückzuführen sein, dass die Risse nicht nur oberflächennah auftreten, sondern darüber hinaus auch weiter im Karosserieinneren liegen, von wo sie erst im weiteren Betrieb unter weiterer mechanischer Beanspruchung an die Oberfläche wandern.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum Ermitteln des Schadensausmaßes eines Einschlagschadens an einer Oberfläche eines Körpers anzugeben, die eine Detektion auch von tiefer liegenden Schäden oder Rissen zuverlässig ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
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Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass auf die Oberfläche im Bereich der Einschlagstelle eine Prüfflüssigkeit aufgetragen wird, die in die Risse in der Oberfläche eindringt und dort exotherm einen Phasenwechsel von flüssig zu fest durchführt, und mit einer Thermografiekamera zumindest eine (das Schadensausmaß zeigende) Thermografieaufnahme der Oberfläche zum Zeitpunkt des Phasenwechsels aufgenommen wird.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass mit diesem nicht nur der oberflächennahe Bereich der Einschlagstelle untersucht werden kann, sondern darüber hinaus auch tiefer liegende Bereiche miterfasst werden können. Dies liegt daran, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren thermische Strahlung erfasst und ausgewertet wird, die durch eine exotherme Reaktion beim Phasenwechsel der Prüfflüssigkeit von flüssig zu fest erzeugt wird. Die exotherme Reaktion kann mit Hilfe der Thermografiekamera nicht nur dann erfasst werden, wenn sie unmittelbar an der Oberfläche erzeugt wird, sondern darüber hinaus auch dann, wenn sie in tiefer liegenden Bereichen des Körpers auftritt und dort zu einer lokalen Erwärmung führt, die sich zur Oberfläche hin ausbreitet. Durch die erfindungsgemäße Messung und Auswertung thermischer Strahlung, die bei einem Phasenwechsel einer Prüfflüssigkeit erzeugt wird, lässt sich die tatsächliche Größe eines aufgetretenen Einschlagschadens somit sehr genau ermitteln.
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Als Prüfflüssigkeit können alle Flüssigkeiten eingesetzt werden, die unter den Testbedingungen nach einer gewissen Zeit ihren Aggregatzustand ändern und dabei Energie frei setzen.
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Als Prüfflüssigkeit besonders geeignet sind Alkohole oder Penetrante auf Alkoholbasis, insbesondere solche mit Metallakrylat.
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Die Prüfflüssigkeit, insbesondere das Penetrant, enthält vorzugsweise eine, mehrere oder alle der folgenden Chemikalien:
- – Alkohol,
- – Metallakrylat,
- – Kohlenwasserstoff,
- – Gemisch von Kohlenwasserstoffen,
- – Sekundären Alkohol, insbesondere ethoxylierten [3] sekundären Alkohol,
- – Gemisch sekundärer Alkohole, insbesondere ethoxylierter [3] sekundärer Alkohole,
- – Mineralöl, insbesondere hochaufbereitetes Mineralöl,
- – Gemisch von Mineralölen, insbesondere von hochaufbereiteten Mineralölen,
- – Farbstoffe
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Besonders bevorzugt wird eine Prüfflüssigkeit verwendet, die ethoxylierte [3] sekundäre Alkohole mit einem Anteil zwischen 25% und 50% und/oder ein Gemisch hochaufbereiteter Mineralöle mit einem Anteil zwischen 50% und 100% enthält.
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Das Metallakrylat ist in der Prüfflüssigkeit (also z. B. im Alkohol oder Penetrant auf Alkoholbasis) vorzugsweise gelöst oder sehr fein dispergiert.
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Vorzugsweise ist die Prüfflüssigkeit fluoreszierend.
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Bevorzugt weist die Prüfflüssigkeit eine gute Benetzbarkeit auf. Die Oberflächenspannung liegt bevorzugt zwischen 1 und 100 mN/m, vorzugsweise bei ca. 20 mN/m.
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Bei Wasserzugabe wird sich die Prüfflüssigkeit vorzugsweise polymerisieren. Die Polymerisationsreaktion erfolgt vorzugsweise über einen radikalen Mechanismus und ist exotherm. Die Kettenlänge vom Polymer (bzw. die freigesetzte Wärme +ΔQ) ist umso höher, je höher die Konzentration des Monomeren ist. Die Polymerisationsreaktion lautet vorzugsweise wie folgt:
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Vorzugsweise werden mit der Thermografiekamera mehrere Thermografieaufnahmen aufgenommen, insbesondere in Form einer Thermografieaufnahmesequenz oder eines Thermografieaufnahmefilms, um dem Umstand Rechnung zu tragen, dass der Phasenwechsel der Prüfflüssigkeit unter Umständen eine längere Zeitdauer in Anspruch nehmen kann und zu unterschiedlichen Zeitpunkten einsetzt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das oder die Thermografiebilder ausgewertet werden und eine die Größe des durch den Phasenwechsel erwärmten Bereichs angebende Größenangabe ermittelt wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Schadensgrößenangabe erzeugt werden. Eine solche Schadensgrößenangabe lässt sich in besonders einfacher Weise und damit vorteilhaft bilden, indem das Thermografiebild unter Bestimmung der Größe des durch den Phasenwechsel erwärmten Bereichs ausgewertet wird und als Schadensgrößenangabe ein mit der Größe des durch den Phasenwechsel erwärmten Bereichs korrelierender Wert gebildet wird.
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Vorzugsweise wird als Schadensgrößenangabe ein zu der Größe des durch den Phasenwechsel erwärmten Bereichs proportionaler Wert gebildet.
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Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Anordnung mit einem einen Einschlagschaden auf seiner Oberfläche aufweisenden Körper, insbesondere einem Karosserieteil eines Fahrzeugs, und einer Einrichtung zum Ermitteln des Schadensausmaßes des Einschlagschadens.
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Bezüglich einer solchen Anordnung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Einrichtung zum Ermitteln des Schadensausmaßes aufweist: eine Prüfflüssigkeit, die im Bereich der Einschlagstelle auf die Oberfläche aufgetragen worden ist oder auftragbar ist, in die Risse in der Oberfläche eingedrungen ist oder eindringen kann und geeignet ist, dort exotherm einen Phasenwechsel von flüssig zu fest durchzuführen, und eine Thermografiekamera, die geeignet ist, zumindest eine Thermografieaufnahme der Oberfläche zum Zeitpunkt des Phasenwechsels aufzunehmen.
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Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen, da die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung denen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen entsprechen.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Einrichtung zum Ermitteln des Schadensausmaßes eine Datenverarbeitungseinrichtung aufweist, die mit der Thermografiekamera in Verbindung steht und deren Thermografiebilder erhalten kann, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie anhand des oder der Thermografiebilder der Thermografiekamera eine die Größe des durch den Phasenwechsel erwärmten Bereichs angebende Größenangabe ermittelt.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Datenverarbeitungseinrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie mit dem Thermografiebild eine das Schadensausmaß angebende Schadensgrößenangabe bildet.
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Vorzugsweise ist die Datenverarbeitungseinrichtung derart ausgestaltet, dass sie die Schadensgrößenangabe bildet, indem sie das Thermografiebild im Rahmen eines Bildauswertverfahrens unter Bestimmung der Größe des durch den Phasenwechsel erwärmten Bereichs auswertet und als Schadensgrößenangabe einen mit der Größe des durch den Phasenwechsel erwärmten Bereichs korrelierenden Wert bildet.
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Besonders bevorzugt ist die Datenverarbeitungseinrichtung derart ausgestaltet, dass sie als Schadensgrößenangabe einen Wert bildet, der zu der Größe des durch den Phasenwechsel erwärmten Bereichs proportional ist.
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Die Datenverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise durch eine Recheneinrichtung, insbesondere eine Mikroprozessoreinrichtung gebildet. Diese ist bevorzugt derart programmiert, dass sie anhand aufgenommener Thermografieaufnahmen einer Thermografiekamera eine die Größe des durch den Phasenwechsel der Prüfflüssigkeit erwärmten Bereichs angebende Größenangabe und/oder eine das Schadensausmaß angebende Schadensgrößenangabe bilden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:
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1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung, anhand derer beispielhaft auch ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren erläutert wird,
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2 das in der 1 gezeigte Karosserieteil mit dem Einschlagschaden bei einer rein optischen Betrachtung von außen und
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3 ein Ausführungsbeispiel für eine Thermografieaufnahme, die sich bei dem Einschlagschaden gemäß 1 nach Aufbringen einer Prüfflüssigkeit und bei Auftreten einer exothermen Reaktion im Rahmen eines Phasenwechsels von flüssig zu fest aufnehmen lässt.
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In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 zeigt einen Körper in Form eines Karosserieteils 10, bei dem es sich beispielsweise um die Außenhaut oder einen Flügel eines Flugzeugs, um die Frontpartie eines Triebwagens im Bereich der Eisenbahntechnik, um einen GFK(glasfaserverstärkter Kunststoff)-Rumpf eines Schiffes, um ein Fahrzeugteil aus dem Automobilbereich, insbesondere einen Monocoque im Bereich des Rennsports, oder einen Flügel einer Windkraftanlage handeln kann.
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Die 1 zeigt, dass das Karosserieteil 10 einen Einschlagschaden 20 aufweist, der zu einer Rissbildung im Bereich der Oberfläche und auch in tieferen Bereichen des Karosserieteils 10 geführt hat. Die Rissbildung ist in der 1 aus Gründen der Übersicht nicht weiter dargestellt.
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Die 2 zeigt den Einschlagschaden 20 bei dem Karosserieteil 10 bei einer optischen Betrachtung von außen. Die durch den Einschlag entstandenen äußerlichen Risse sind in der 2 durch Bezugszeichen 30 dargestellt.
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Wieder zurückkommend auf 1 soll nun erläutert werden, wie bei einer optischen Betrachtung, wie sie die 2 zeigt, die nicht erkennbaren Risse sichtbar gemacht werden können. Hierzu ist eine Einrichtung 40 zum Ermitteln des Schadensausmaßes des Einschlagschadens 20 vorgesehen.
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Die Einrichtung 40 umfasst eine Thermografiekamera 50, die ausgangsseitig mit einer Datenverarbeitungseinrichtung 60 verbunden ist. Die Datenverarbeitungseinrichtung 60 weist eine Recheneinrichtung 70 sowie einen Speicher 80 auf, in dem ein Auswertprogramm PR zum Ermitteln des Schadensausmaßes des Einschlagschadens 20 gespeichert ist.
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Die Datenverarbeitungseinrichtung 60 ist aufgrund des in dem Speicher 80 gespeicherten Auswertprogramms PR in der Lage, Bilddaten D, die von der Thermografiekamera 50 geliefert werden, auszuwerten und ausgangsseitig eine Schadensgrößenangabe SA auszugeben. Die Arbeitsweise der Datenverarbeitungseinrichtung 60 wird weiter unten noch näher in Detail erläutert.
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Die 1 zeigt darüber hinaus eine Flüssigkeitsaufbringvorrichtung 90, bei der es sich beispielsweise um eine Pipette oder dergleichen handeln kann. In der Flüssigkeitsaufbringvorrichtung 90 ist eine Prüfflüssigkeit 100 enthalten, die in Form von Flüssigkeitstropfen 110 entlang der Pfeilrichtung P auf den Einschlagschaden 20 des Karosserieteils 10 aufgetragen wird. Die Prüfflüssigkeit 100 dringt somit in den Bereich des Einschlagschadens 20 ein und verteilt sich dort.
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Die Prüfflüssigkeit 100 ist vorzugsweise derart dünnflüssig, dass sie in die durch den Einschlagschaden 20 hervorgerufenen Risse 30 (vgl. 2) eindringen kann. Das Eindringen der Prüfflüssigkeit 100 wird durch Kapillarkräfte unterstützt, die anschaulich beschrieben die Prüfflüssigkeit 100 in die Risse hineinziehen.
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Aufgrund der Verteilung der Prüfflüssigkeit 100 in den Rissen des Karosserieteils 10 kommt es zu einem Flüssigkeitsfluss, der in der 1 schematisch mit Pfeilen mit dem Bezugszeichen P2 gekennzeichnet ist.
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Die in tiefere Bereiche des Karosserieteils 10 eingedrungene Prüfflüssigkeit 100 ist von außen optisch nicht mehr erkennbar, so dass sie mit einer im sichtbaren Bereich arbeitenden optischen Kamera nicht mehr erfasst werden kann.
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Um die in die Risse eingedrungene Prüfflüssigkeit 100, die von außen optisch nicht mehr sichtbar ist, sichtbar zu machen, ist die Thermografiekamera 50 vorgesehen. Die Thermografiekamera 50 wird nach einem Eindringen der Prüfflüssigkeit 100 eine lokale Erwärmung im Karosserieteil 10 feststellen, die aufgrund einer exothermen Reaktion bei der Phasenumwandlung der Prüfflüssigkeit 100 von flüssig zu fest auftritt.
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Die in den Rissen bzw. Kanälen des Karosserieteils 10 befindliche Prüfflüssigkeit 100 erzeugt aufgrund der exothermen Reaktion bei der Phasenumwandlung von flüssig zu fest Wärme, die auch von tiefer liegenden und von außen nicht sichtbaren Abschnitten des Karosserieteils 10 nach außen dringt und zu Infrarotstrahlung führt, die von der Thermografiekamera 50 erfasst werden kann.
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Die Thermografiekamera 50 nimmt die während bzw. durch den Phasenwandel von flüssig zu fest erzeugte Wärmestrahlung auf und leitet die entsprechenden Bilddaten D zur Datenverarbeitungseinrichtung 60. Die Datenverarbeitungseinrichtung 60 wertet die Bilddaten D aus, beispielsweise im Rahmen eines üblichen Bildauswerteverfahrens, und bestimmt die Größe des durch den Phasenwechsel erwärmten Bereichs unter Bildung einer Größenangabe G und/oder unter Bildung eines das Schadensausmaß angebenden Schadensgrößenangabe SA.
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Die Arbeitsweise der Datenverarbeitungseinrichtung 60 ist schematisch in der 3 dargestellt. Man sieht ein Ausführungsbeispiel für ein von der Thermografiekamera 50 aufgenommenes Thermografiebild T, das nicht nur die auch von außen sichtbaren Risse 30 (vgl. 2) im Bereich des Einschlagschadens 20 zeigt, sondern darüber hinaus auch die verborgenen Risse 30', die erst durch die exotherme Reaktion beim Phasenwechsel von flüssig zu fest durch die außen abgegebene Infrarotstrahlung visualisiert werden.
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Die Datenverarbeitungseinrichtung 60 kann die Größenangabe G bzw. die Schadensgrößenangabe SA beispielsweise ermitteln, indem sie den Durchmesser d und/oder die Fläche A des mit Rissen 30' versehenen und damit lokal erwärmten Abschnitts des Karosserieteils 10 bestimmt, beispielsweise wie folgt: G = π·(d/2)2 = A SA = p·G = p·A wobei p einen vorgegebenen Proportionalitätsfaktor bezeichnet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Karosserieteil
- 20
- Einschlagschaden
- 30
- Risse
- 30'
- Risse
- 40
- Einrichtung
- 50
- Thermografiekamera
- 60
- Datenverarbeitungseinrichtung
- 70
- Recheneinrichtung
- 80
- Speicher
- 90
- Flüssigkeitsaufbringvorrichtung
- 100
- Prüfflüssigkeit
- 110
- Flüssigkeitstropfen
- A
- Fläche
- d
- Durchmesser
- D
- Bilddaten
- G
- Größenangabe
- P
- Pfeilrichtung
- PR
- Programm
- P2
- Pfeile
- SA
- Schadensgrößenangabe
- T
- Thermografiebild
