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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektierung und Untersuchung von Beschädigungen an Fahrzeugen, insbesondere an Luft- und Landfahrzeugen. Außerdem betrifft die Erfindung ein mobiles Kompaktgerät zum Aufspüren und zur Untersuchung solcher Beschädigungen.
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Zur Feststellung von Beschädigungen, insbesondere von Delaminationen und Impactschäden in Werkstoffen findet u. a. die Wärmeflussthermographie Anwendung. Auf diese Weise wird im Bereich eines möglichen Werkstofffehlers durch einen sich ändernden Wärmestrom auf der Oberfläche der jeweilige Fehler identifiziert. Dazu wird die Oberfläche oder das Volumen des Werkstoffes thermisch angeregt. Hierzu dienen etwa optische Methoden mittels Lampen oder konvektiv mittels Fön oder auch Induktion oder Ultraschall. Die Anregung kann impulsartig oder harmonisch aufgebracht werden. Nachdem eine zeitliche Sequenz mit einer wärmeempfindlichen Kamera erfasst wurde, erfolgt eine mathematische Analyse des Signals und der möglicherweise vorhandene Fehler wird detektiert. Feste Bestandteile bei der Wärmeflussthermographie sind eine Infrarotkamera, eine Licht- und/oder Wärmequelle, eine Leistungsversorgung sowie eine Bedieneinheit und ein Rechner. Sämtliche dieser separaten Aggregate sind über eine Vielzahl von Kabeln miteinander verknüpft, so dass ein freies Arbeiten häufig umständlich ist. Dieses Verfahren unter Einsatz diverser separater Aggregate nach Stand der Technik zeichnet sich durch einige gravierende Nachteile aus:
Thermische Wärmeflussverfahren eignen sich zum Auffinden oberflächennaher Fehler in allen Werkstoffen. Bei der Impulsanregung mittels Blitzlichtern erreicht man etwa eine Tiefe von 5 mm, bei der harmonischen oder auch Langimpulsanregung mit Halogenlampen eine Tiefe bis zu mehreren Zentimetern. Allerdings hängt die Dauer einer solchen Prüfung von der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs ab. So kann die Prüfdauer zwischen einigen Millisekunden und einer halben Stunde schwanken. Ferner sind nicht beliebige Fehlergrößen detektierbar, was maßgeblich daran liegt, dass die Wärme um den Fehler herumfließt, je kleiner ein Fehler bei gleicher Tiefenlage ausgebildet ist. Die Nachweisgrenze hängt also von einer werkstoffcharakteristischen Fehlergröße im Verhältnis zur Fehlertiefe maßgeblich ab. Dieses Verhältnis macht insbesondere bei Faserwerkstoffen wie Carbon gegenüber metallischen, homogenen Werkstoffen die Detektierung schwieriger. Bei der thermischen Anregung erfolgt die Identifizierung von Fehlern im Bauteil aufgrund von Temperaturkontrasten auf der Oberfläche, die sich als Funktion ihrer Größe und Tiefe dort darstellt. Bei gleicher Fehlergröße kommt es häufig dazu, dass einige der tieferliegenden Fehler nicht identifiziert werden können. Folge davon ist häufig, dass andere Prüfverfahren, z. B. Ultraschall herangezogen werden müssen.
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Der Serieneinsatz wird außerdem häufig dadurch unwirtschaftlich, dass diese Systeme teuer sind und zwar einerseits durch die Infrarot-Technik und andererseits durch die Peripherie, z. B. Blitzansteuerung, Halogenansteuerung etc. Sämtliche Geräte müssen umständlich durch viele Kabel verbunden werden, so dass insbesondere massive Nachteile in Hinblick auf die Mobilität bestehen, sprich mit Abarbeitung der Prüfsegmente, in welche die zu untersuchende Fläche eingeteilt ist, muss der komplette Aufbau demontiert und anschließend wieder montiert werden, was zu erheblichen Zeitverlusten führt. Schließlich müssen die Geräte auch fixiert werden, damit eine Prüfung ohne Relativbewegung zum Objekt möglich ist. Weitere Schutzmaßnahmen müssen getroffen werden, damit Messungen durch Reflektionen nicht verfälscht werden und Personal durch die Lichtintensität geblendet wird, was zu erheblichen gesundheitlichen Nachteilen führen kann. Außerdem ist viel Basiswissen und Erfahrung erforderlich, um die genannten Geräte bedienen und die Auswertungen anschließend korrekt interpretieren zu können. Messungen sind extrem vom Emissionsgrad der Oberfläche anhängig. Dreh- oder Starkstrom müssen lokal vorhanden sein.
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Damit stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren und ein Gerät zur Untersuchung von Beschädigungen an Fahrzeugen, insbesondere an Luft- und Landfahrzeugen zu schaffen, welche geeignet sind, die genannten zahlreichen Nachteile zu überwinden.
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In Bezug auf das Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zu untersuchenden Flächenabschnitte der Fahrzeuge unter ausschließlichem Einsatz eines mobilen Kompaktgerätes nach einer vorzugsweise konvektiven Erwärmung kontinuierlich durch wärmefluss-thermographische Messungen erfasst, einer Online-Bildverarbeitung zugeführt und schließlich graphisch dargestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kommt in vorteilhafter Weise mit einem mobilen, kabellosen Kompaktgerät aus, das nach Festlegung des zu überprüfenden Flächenabschnitts des Fahrzeugs für die vorzugsweise konvektive Erwärmung, die wärmefluss-thermographischen Messungen und auch die Online-Bildverarbeitung und die graphische Darstellung der Daten sorgt sowie eine schnelle und belastbare Analyse und Bewertung ermöglicht. Besonders geeignet ist solch ein mobiles Kompaktgerät etwa für Mechaniker und Prüfer von Flugzeugen. Diese sehen sich oft mit der Fragestellung konfrontiert, ob ein mechanischer Anstoß eines Gegenstandes an ein Flugzeug aus Carbon zu Schäden (z. B. Delamination, Impact) geführt hat. Anstelle des bisher bekannten und umständlichen apparativen Aufbaus samt zahlreicher Umrüstungen wird zukünftig eben nur noch ein mobiles Kompaktgerät eingesetzt, das sämtliche der angesprochenen Funktionen integriert übernehmen kann. Dies wirkt sich mit Blick auf die Anschaffungs- und Unterhaltskosten, nun nicht mehr erforderliche Schutzmaßnahmen oder die entbehrliche Fixierung von Geräten sowie dahingehend vorteilhaft aus, dass das mobile Gerät auch von Personen bedient werden kann, die nur vergleichsweise kurz in die Funktion eingewiesen wurden, etwa Piloten oder andere Fahrzeugführer.
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Die betreffende Fläche des zu untersuchenden Objektes wird in eine geeignete Anzahl von Prüfsegmenten unterteilt, die dann sequentiell abgearbeitet werden, was naturgemäß mit einem Kompaktgerät wesentlich einfacher und schneller funktioniert, als mit einzelnen, miteinander zu koppelnden Aggregaten und Geräten.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Messergebnisse graphisch durch einen in das Kompaktgerät integrierten Rechner dargestellt werden. Dabei findet keine mathematische Analyse einer zeitlich begrenzten Messung statt. Letztere erfolgt vielmehr in vorteilhafter Weise kontinuierlich.
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Es ist als vorteilhaft anzusehen, wenn im Rahmen der Erwärmung der zu untersuchenden Flächenabschnitte mit dem Heißluftgebläse ein permanenter Wärmefluss erzeugt wird. Sollte dann festgestellt werden, dass der Wärmefluss an einer oder mehreren Stellen gestört ist, lässt sich dies als Reaktion auf der Oberfläche durch das erfindungsgemäße Verfahren feststellen.
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Zur Veranschaulichung wie zur Verdeutlichung der Ergebnisse ist dann vorgesehen, dass die Stellen möglicher Beschädigungen einer gesonderten Filterung unterzogen werden.
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Im Unterschied zu den bisherigen Anwendungen mit einmaligen, transienten thermischen Vorgängen ersetzt eine kontinuierliche Anregung mit Bildverarbeitung die Darstellung von Temperaturkontrasten auf der Oberfläche. Die konvektive Erwärmung führt zu einer Durchdringung der Oberfläche des Werkstücks unabhängig vom Emissionsgrad der Oberfläche. Dies hat den Vorteil einer insgesamt gleichmäßigen Erwärmung. Dennoch erwärmt eine Heizluftquelle das Werkstück aufgrund seiner Bewegung über dem Bauteil lokal sehr unterschiedlich. Insofern empfiehlt es sich, dass eine Online-Bildfilterung zur Hervorhebung der Kontraste gegenüber der lokalen Erwärmung durchgeführt wird. Im Unterschied zu den bisherigen Anwendungen der Technologie mit einmaligen, transienten thermischen Vorgängen ersetzt eine kontinuierliche Anregung mit Bildverarbeitung die Darstellung von Temperaturkontrasten auf der Oberfläche. Dabei erfolgt zunächst die konvektive Erwärmung durch das Heißluftgebläse, welcher die Oberfläche des Werkstückes unabhängig vom Emissionsgrad der Oberfläche erwärmt. Das hat den Vorteil, einer insgesamt gleichmäßigen Erwärmung im Gegensatz etwa zur Anregung durch Lampen. Dennoch erwärmt die Heißluftquelle das Werkstück auf Grund seiner Bewegung über dem Bauteil lokal sehr unterschiedlich. Infolge des Wärmeflusses in das Bauteil bildet sich ein Temperaturkontrast oberhalb eines Materialfehlers.
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Ohne Filterung sind diese Kontraste gegenüber der hohen lokalen Erwärmung nicht ohne weiteres sichtbar. Erst eine Online-Bildfilterung ermöglicht das Eliminieren von „Bergen“, so dass Kontraste übrig und während der ständigen Erwärmung auch sichtbar bleiben. Um qualitativ brauchbare Bilder zu erhalten, ist vorgesehen, im Vorfeld der Bildfilterung eine Bildglättung durchzuführen.
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Der nächste Schritt sieht so aus, dass zur Bildfilterung eine Laplace-Filterung zur Kantendetekion durchgeführt wird.
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Im Anschluss an die Laplace-Filterung wird eine Tiefpassfilterung durchgeführt, um hochfrequentes Rauschen, hervorgehoben eben durch die Laplace-Filterung, zu entfernen. Bei großflächigen Prüfungen funktioniert das Verfahren sehr gut, bei kleinen Prüfoberflächen oder Kanten im Bauteil hingegeben treten Artefakte auf, die ab einer gewissen Prüfoberfläche eine Fehlerunterscheidung schwierig gestalten können.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird außerdem durch ein mobiles Kompaktgerät zur Untersuchung von Beschädigungen an Fahrzeugen, insbesondere an Luft- und Landfahrzeugen gelöst, umfassend ein Heißluftgerät, eine Infrarotkamera sowie eine Bedieneinheit und/oder eine Auswerteeinheit.
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Ein solches mobiles Kompaktgerät ermöglicht die Detektierung und Untersuchung von Beschädigungen auf einfache, schnelle und sichere Weise. Das autarke Gerät vereinigt die Komponenten Heißluftgerät, Infrarotkamera, Bedien- und Auswerteeinheit, so dass es schnell und unkompliziert einsetzbar ist. Bisher notwendige Umrüstungen und vollständige Neuausrichtungen mit Untersuchungsfortschritt können komplett entfallen. Dies mit dem weiteren Vorteil verbunden, dass Bedienpersonal relativ kurzfristig eingearbeitet werden kann und keinen besonderen Qualifikationen mehr unterliegen muss. Gedacht ist etwa an die Verwendung im Bereich von Flugzeugen und Kraftfahrzeugen, speziell dort, wo es um das Auffinden von Schäden im Carbonmaterial geht oder im Bereich von Rotorblättern bei lokalen Untersuchungen von Verbindungsstellen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass als Bedieneinheit und als Auswerteeinheit ein Rechner, vorzugsweise ein Tablet-PC, dient, wobei zwischen der Kamera und dem Tablet-PC z. B. eine USB-Verbindung vorgesehen sein sollte. Der Tablet-PC stellt gleichzeitig Bedien- und Auswerteeinheit dar, so dass auch insofern ein weiteres Aggregat eingespart werden kann.
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Es empfiehlt sich darüber hinaus, dass als Heißluftgerät ein in das mobile Kompaktgerät integrierter Industriefön dient, der entsprechend für die beschriebenen Erwärmungsprozesse geeignet ist.
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Ein weiteres, bisher übliches Aggregat kann eingespart werden, indem zur Stromversorgung des Heizluftgerätes und/oder des Rechners ein in das mobile Kompaktgerät integrierter Akkumulator dient, was darüber hinaus dazu beiträgt, dass die Vielzahl von Kabelverbindungen zwischen den bisher gebräuchlichen vielen separaten Aggregaten eingespart werden können.
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Ein besonders geeignetes Kompaktgerät ist verwirklicht, indem dieses ein Gestell aufweist, an dem das Heißluftgerät, die Infrarotkamera, die Bedieneinheit und/oder die Auswerteeinheit lösbar fixiert sind, um auch entsprechende Umrüstungen einfach vornehmen zu können.
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Weiterhin ist daran gedacht, dass das Heißluftgerät, die Infrarotkamera, die Bedieneinheit und/oder die Auswerteeinheit schwenkbar an dem Gestell befestigt sind, um die Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Kompaktgerätes noch weiter zu verbessern und das Gerät noch leichter handhabbar zu machen. Das Gestell kann dazu korrespondierend zu dem jeweiligen Gerätetyp ausgebildete Aufnahmen, Befestigungen etc. aufweisen.
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Ergänzend dazu ist vorgesehen, dass das Gestell mit einem Griff ausgerüstet ist, vorzugsweise ist dabei an einen senkrechten Griff gedacht, der Bestandteil des Gestells ist, das dann mit einer Hand vom Bediener gegriffen werden kann, während dieser mit der anderen Hand den Tablet-PC bedient oder Infrarotkamera oder Heißluftgebläse auf die jeweilige zu erfassende Oberfläche hin ausrichtet.
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Wenn das Kompaktgerät mit einem Signalgeber ausgerüstet ist, welcher eine Signalgebung für den Fall veranlasst, dass die Temperatur der Objektoberfläche einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, ist eine zusätzliche Sicherung geschaffen, die eine Beeinträchtigung der Objektoberfläche durch zu große Hitze durch das Heißluftgebläse ausschließt. Vorzugsweise wird dieser Mechanismus in die Infrarotkamera integriert, die ohnehin dazu ausgerüstet ist, die Temperatur der Oberfläche zu messen. Die Signalgebung kann dann durch die Kamera selbst oder durch den Tablet-PC erfolgen.
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Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein Verfahren und ein mobiles Kompaktgerät zur Detektierung und Untersuchung von Beschädigungen an Fahrzeugen, insbesondere an Luft- und Landfahrzeugen geschaffen ist, das sich durch den Einsatz eines einzigen, die Komponenten Erwärmung, Bildbearbeitung, Bedienung und Auswertung vereinigendes mobiles Aggregat auszeichnet, das nicht mit einer externen Energieversorgung verbunden ist. Mit dessen Einsatz geht eine signifikante Reduzierung der Anschaffungs- und Unterhaltskosten einher. Da nur noch ein Gerät vorgesehen ist, lässt sich dieses naturgemäß wesentlich leichter montieren, demontieren, ausrichten und justieren. Schließlich ist das erfindungsgemäße mobile Kompaktgerät auch ohne langwierige Ausbildung bedienbar. Schäden (z. B. Delaminationen und Impactschäden) lassen sich zukünftig auch für weniger geübtes Personal dank des erfindungsgemäßen mobilen Kleingerätes schnell und sicher feststellen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:
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1 die drei maßgeblichen Komponenten eines Kompaktgerätes,
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2 ein Kompaktgerät mit Heißluftgerät und
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3 ein Kompaktgerät in abgespeckter Version ohne Heißluftgerät.
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1 zeigt die drei wesentlichen Komponenten des erfindungsgemäßen Kompaktgerätes ohne das Gestell. Zu sehen ist das als Industriefön 8 ausgebildete Heißluftgerät 3, der Tablet-PC 7 als Bedieneinheit 5 mit der ebenfalls integrierten und pauschal mit dem Bezugszeichen 6 versehenen Auswerteeinheit und schließlich die Infrarotkamera 4.
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Installiert sind diese dann in der schematischen Darstellung des Kompaktgerätes 1 nach 2. In das rahmenartige Gestell 2 integriert ist der Tablet-PC 7, unterhalb dessen sich der senkrecht positionierte Griff 12 befindet. Links an das Gestell 2 angelenkt ist das als Industriefön ausgebildete Heißluftgerät 3 oder -gebläse, das über die Aufhängung 13 vorzugsweise kardanisch mit dem Gestell 2 verbunden ist. Rechts ist die Infrarotkamera 4 zu erkennen, die über die Aufhängung 14 mit dem Gestell 2 verbunden ist. Über den Industriefön 8 wird ein permanenter Wärmefluss erzeugt, die Infrarotkamera 4 dient dann zur Herstellung entsprechender Aufnahmen, der Tablet-PC 7 als kombinierte Bedieneinheit 5 und Auswerteeinheit 6. Dies alles in vorteilhafter Weise an einem Kompaktgerät 1, in das sämtliche notwendigen Aggregate sowie Hard- und Software integriert sind. Da erfindungsgemäß nur ein Kompaktgerät den Einsatz einzelner und untereinander aufwändig zu verbindender und miteinander zu koppelnder Aggregate ersetzt, lässt sich dieses naturgemäß wesentlich leichter montieren, demontieren, ausrichten und justieren.
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Schließlich zeigt 3 das erfindungsgemäße Kompaktgerät 1 ohne einen mit dem Gestell 2 verbundenen Heißluftgebläse in einer abgespeckten Version.
