DE102018003818A1

DE102018003818A1 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien optischen Bestimmung eines Spannungszustandes in einem für sichtbaren Licht undurchlässigen Bauteil

Info

Publication number: DE102018003818A1
Application number: DE102018003818.2A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Hantke; Wilm Unckenbold
Original assignee: Hantke Hans Juergen; Unckenbold Wilm F
Current assignee: Hantke Hans Juergen; Unckenbold Wilm F
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2019-11-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zur zerstörungsfreien optischen Bestimmung eines Spannungszustands in einem Bauteil (20), wobei polarisierte elektromagnetische Strahlung durch das Bauteil (20) und durch mindestens einen polarisierenden Filter (30) hindurch zu einem Detektor (32) geleitet wird. Damit sich ihr Anwendungsbereich auf Bauteile aus lichtundurchlässigen Werkstoffen erweitern lässt, auf den Einsatz von transparenten Modellen verzichtet werden kann, und die zerstörungsfreie spannungsoptische Untersuchung von belasteten Bauteilen direkt an deren Einsatzort vorgenommen werden kann, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, an Stelle von sichtbarem Licht IR-Strahlung in einem IR-Spektralbereich von 1 mm bis 780 nm zu verwenden, die im Filter (30) polarisiert und anschließend im Detektor (32) von einem hochauflösenden IR-Sensor erfasst wird, und anhand der vom IR-Sensor erfassten polarisierten IR-Strahlung den Spannungszustand im Bauteil (20) in einem für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich sichtbar zu machen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien optischen Bestimmung eines Spannungszustands in einem Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die Verwendung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 10 bis 15, sowie eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien optischen Ermittlung eines Spannungszustands in einem Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden unter anderem bei Bauteilprüfungen eingesetzt, deren Ziel es ist, frühzeitig Schäden im Bauteil zu erkennen und den Schadensfortschritt zur Festlegung von Inspektionsintervallen bzw. zur Einleitung von Reparatur- oder Austauschmaßnahmen zu ermitteln. Da durch die Bauteilprüfung idealerweise eine Beeinträchtigung des intakten Bauteils oder seiner Funktionsfähigkeit vermieden werden soll, eignen sich zerstörungsfreie Verfahren besonders gut.
Ein solches zerstörungsfreies Verfahren ist die Spannungsoptik, die bereits seit den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts zur experimentellen Ermittlung des Spannungszustands in Bauteilen eingesetzt wird, wobei Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art zum Einsatz kommen.
Bei der Durchführung spannungsoptischer Untersuchungen wird die Spannungsverteilung in transparenten, zweidimensionalen Bauteilen ermittelt, indem unter mechanischer Belastung Stellen mit besonders hoher Beanspruchung sichtbar gemacht werden. Für spannungsoptische Untersuchungen eignen sich allerdings nur transparente Werkstoffe, die in unbelastetem Zustand optisch isotrop sind, unter mechanischer Beanspruchung jedoch optisch anisotrop werden, beispielsweise transparente Kunstharze, wie Epoxidharz oder Plexiglas (PMMA). In diesen Werkstoffen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtwellen in unbelastetem Zustand richtungsunabhängig, während sie im belasteten Zustand richtungsabhängig ist, wobei sie von der Polarisationsrichtung der Lichtwellen abhängt. Diese Werkstoffe sind unter Belastung doppelbrechend und weisen damit in unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Brechungsindices auf, deren Größe an jeder Stelle im Werkstoff in direkter Beziehung zum Spannungszustand an dieser Stelle steht. Dadurch lassen sich Informationen über den Spannungszustand, wie z.B. die maximale Scherspannung und ihre Ausrichtung, mittels eines Polariskops sichtbar machen.
Wenn linear polarisiertes monochromatisches sichtbares Licht, d.h. elektromagnetische Strahlung in dem für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich mit Wellenlängen zwischen 400 nm und 700 nm, durch einen für die Spannungsoptik geeigneten transparenten Werkstoff hindurch geleitet wird, zerlegt der unter Belastung stehende Werkstoff den einfallenden Lichtstrahl in zwei Teilwellen, die auch als ordentlicher Strahl und als außerordentlicher Strahl bezeichnet werden. Diese beiden Teilwellen sind in Richtung der beiden Hauptnormalspannungen des Werkstoffs senkrecht zueinander polarisiert, d.h. ihre Schwingungsebenen sind senkrecht zueinander. Da der ordentliche Strahl und der außerordentliche Strahl im Werkstoff wegen dessen Spannungsdoppelbrechung unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten besitzen, treten die beiden Strahlen phasenverschoben wieder aus dem Werkstoff aus, wobei die Phasenverschiebung von der Hauptspannungsdifferenz abhängt. Wenn die aus dem Werkstoff austretenden Strahlen durch einen Analysator hindurch geleitet werden, lässt dieser sowohl vom ordentlichen Strahl und vom außerordentlichen Strahl nur die Komponente durch, die in Polarisationsrichtung des Analysators ausgerichtet ist. Die beiden Komponenten sind stets gleich groß und zueinander entgegengesetzt und heben sich auf, wenn die Phasenverschiebung Null oder ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des verwendeten monochromatischen Lichts beträgt. Diese Stellen erscheinen bei Betrachtung der Rückseite des Analysators als dunkle Linien, welche die Punkte mit der gleichen maximalen Spannung verbinden, ein Maß für die Hauptspannungsdifferenz im Bauteil sind und als Isochromaten bezeichnet werden. Durch Abzählen der Isochromaten kann man auf die absolute Hauptspannungsdifferenz schließen. An den Stellen, an denen das Licht im Werkstoff keine Spannungsdoppelbrechung erfährt, sind bei Betrachtung der Rückseite des Analysators weitere dunkle Stellen sichtbar, die als Isoklinen bezeichnet werden und auf die Hauptspannungsrichtungen im Werkstoff schließen lassen.
Fügt man vor und hinter dem transparenten Bauteil jeweils noch eine λ/4-Wellen-Platte in den Strahlengang des sichtbaren Lichts ein, so erhält man an Stelle der oben beschriebenen, als Linear-Polariskop bezeichneten Vorrichtung ein Zirkular-Polariskop, bei dem nahezu die gleichen Effekte wie beim Linear-Polariskop auftreten, wenn man ein spannungsbelastetes transparentes Bauteil zwischen den beiden λ/4-Wellen-Platten im Strahlengang positioniert. Jedoch sind die Isochromaten als farbige Streifen sichtbar, während keine Isoklinen sichtbar sind.
Da spannungsoptische Untersuchungen nur an transparenten Bauteilen aus den zuvor genannten Werkstoffen vorgenommen werden konnten, wurden zur Ermittlung von Spannungszuständen in nicht-transparenten Bauteilen, in der Vergangenheit Modelle der Bauteile aus geeigneten transparenten Werkstoffen hergestellt, die dann in derselben Weise wie das Bauteil selbst belastet wurden, um im Modell für eine ähnliche Spannungsverteilung zu sorgen. Die beschriebenen spannungsoptischen Untersuchungen wurden dann am Modell vorgenommen und die Ergebnisse der Untersuchungen auf das Bauteil übertragen.
Allerdings ist eine solche Übertragung der Ergebnisse nur dann möglich, wenn die Bauteile ebenso wie die Modelle eine homogene Struktur besitzen, oder zumindest eine Struktur, die am Modell nachgeahmt werden kann. Dies ist jedoch bei vielen Bauteilen nicht oder nur sehr schwer möglich: Ein Beispiel sind Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen, die Fasern aus Kohlenstoff in einer Matrix aus einem Polymer oder Kunststoff enthalten, so das ihre Struktur anhand eines Modells nicht nachgeahmt werden kann, weil die Fasern das Modell undurchsichtig machen würden. Ein anderes Beispiel sind zusammengesetzte Bauteile aus zwei oder mehr stoffschlüssig miteinander verbundenen Teilen oder Schichten, beispielsweise laminierte Verbundwerkstoffe, da beispielsweise eine Klebeverbindung im Modell andere Werkstoffe als im Bauteil verbindet und damit die Spannungszustände in der Verbindung nicht auf Klebeverbindung im Bauteil übertragbar sind. Ein weiterer Nachteil spannungsoptischer Untersuchungen an einem Modell besteht darin, dass diese zwar im Vorwege vor der Entwicklung oder Konstruktion eines Bauteils genutzt werden können, jedoch nicht zur Untersuchung existierender belasteter Bauteile, an denen frühzeitig Schäden erkannt oder der Schadensfortschritt zur Festlegung von Inspektionsintervallen bzw. zur Einleitung von Reparatur- oder Austauschmaßnahmen ermittelt werden soll.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sich ihr Anwendungsbereich auf Bauteile aus Werkstoffen, wie Faserverbundwerkstoffen, anderen Verbundwerkstoffen, Laminaten, Metallen oder keramischen Werkstoffen erweitern lässt, dass auf den Einsatz von transparenten Modellen verzichtet werden kann, und dass die zerstörungsfreie spannungsoptische Untersuchung von belasteten Bauteilen direkt an deren Einsatzort vorgenommen werden kann, um frühzeitig Schäden oder Schadensfortschritte zu erkennen.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Bauteil für sichtbares Licht undurchlässig ist, dass die elektromagnetische Strahlung IR-Strahlung in einem Spektralbereich von 1 mm bis 780 nm ist, dass die IR-Strahlung im Filter polarisiert wird und dass im Detektor die polarisierte IR-Strahlung von einem hochauflösenden IR-Sensor erfasst wird. Vorzugsweise wird der Spannungszustand im Bauteil anhand der vom IR-Sensor erfassten polarisierten IR-Strahlung in einem für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich sichtbar gemacht. Es ist aber auch möglich, die vom IR-Sensor erfasste polarisierte IR-Strahlung mittels eines Rechners und einer geeigneten Software auf direktem Wege auszuwerten und z.B. nur die Überschreitung festgelegter Schwellenwerte anzuzeigen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil für sichtbares Licht undurchlässig ist, dass die elektromagnetische Strahlung IR-Strahlung in einem Spektralbereich von 1 mm bis 780 nm ist, dass der Filter die durch das Bauteil hindurchgetretene IR-Strahlung polarisiert und dass der Detektor einen hochauflösenden IR-Sensor umfasst, der die polarisierte IR-Strahlung erfasst. Vorzugsweise ist der Detektor eine Wärmebildkamera, die anhand der vom IR-Sensor erfassten polarisierten IR-Strahlung den Spannungszustand im Bauteil in einem für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich sichtbar macht, jedoch kann der Detektor auch einen Rechner umfassen, der mittels einer geeigneten Software den Spannungszustand im Bauteil auf direktem Wege auswertet und ausgibt oder anzeigt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass erstens viele für sichtbares Licht undurchlässige Werkstoffe für IR-Strahlung im gesamten Spektralbereich zwischen 1 mm und 780 nm oder in einem Teil dieses Spektralbereichs durchlässig sind, dass zweitens mindestens ein Teil von diesen Werkstoffen oder von Bestandteilen dieser Werkstoffe normalerweise für IR-Strahlung isotrop ist und unter Belastung für die IR-Strahlung anisotrop bzw. doppelbrechend wird, und dass drittens mittlerweile für IR-Strahlung nicht nur Polarisationsfilter zur Verwendung als Analysator oder ggf. als Polarisator, sondern auch sehr hochauflösende IR-Sensoren verfügbar sind, mit denen die polarisierte IR-Strahlung erfasst werden kann, um die erfasste polarisierte IR-Strahlung bzw. den aus dieser ableitbaren Spannungszustand im Bauteil in einem für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich sichtbar zu machen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, das Verfahren bei Bauteilen einzusetzen, die mindestens in einem Teil des Spektralbereichs von 1 mm bis 780 nm für die IR-Strahlung durchlässig sind und die mindestens teilweise aus einem Material oder Werkstoff bestehen, der unter Belastung für IR-Strahlung anisotrop bzw. doppelbrechend wird.
Besonders viele Vorteile hat der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen, die zum Beispiel im Flugzeug- oder Fahrzeugbau zunehmend in mechanisch hoch beanspruchten Leichtbaustrukturen in sicherheitsrelevanten Bereichen eingesetzt werden und in regelmäßigen Zeitabständen eine Ermittlung des Spannungszustandes innerhalb des Bauteils erforderlich machen, da es bereits im Vorfeld einer Schädigung, zum Beispiel durch einen Anriss, zu einer lokal veränderlichen Spannungsverteilung im Bauteil kommt. Diese Veränderung kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens rechtzeitig erkannt werden, ohne dass die Funktionsfähigkeit des Bauteils durch die Untersuchung beeinträchtigt wird. Dadurch kann ein Versagen des Bauteils und der damit einhergehende Schaden verhindert werden, so dass zur Beseitigung des Schadens keine in der Regel um ein Vielfaches über den eigentlichen Kosten des Bauteils liegenden Kosten anfallen.
Besonders im Fokus stehen dabei Bauteile aus faserverstärkten Polymeren oder Kunststoffen mit einer Matrix aus einem duroplastischen oder einem thermoplastischen Polymer oder Kunststoff, bei denen die Matrix und die Faser für IR-Strahlung durchlässig sind, wobei die Matrix in einem unbelasteten Zustand isotrope Eigenschaften besitzt und unter Belastung im Spektralbereich zwischen 1 mm und 780 nm oder in einem Teil dieses Spektralbereichs, für die IR-Strahlung anisotrop oder doppelbrechend wird.
Grundsätzlich lassen sich jedoch auch Faserverbundwerkstoffe untersuchen, bei denen ebenfalls sowohl die Matrix und die Faser für IR-Strahlung durchlässig sind, wobei jedoch nicht die Matrix sondern die Faser in einem unbelasteten Zustand isotrope Eigenschaften besitzt und unter Belastung für die IR-Strahlung anisotrop oder doppelbrechend wird, da die Spannungszustände der Faser Rückschlüsse auf den Spannungszustand des Bauteils zulassen.
Besonders aussagekräftige Ergebnisse sind zu erwarten, wenn sowohl die Matrix und die Faser für IR-Strahlung durchlässig sind, in einem unbelasteten Zustand für die IR-Strahlung isotrope Eigenschaften besitzen und unter Belastung für die IR-Strahlung anisotrop oder doppelbrechend werden. In diesem Fall können aus den Spannungszuständen der Matrix und aus den Spannungszuständen der Faser Rückschlüsse auf den Spannungszustand des Bauteils gezogen werden.
Ein Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Spannungszustands in einem Bauteil aus einem faserverstärkten duroplastischen Polymer oder Kunststoff verspricht besonders viele Vorteile, wenn die Matrix aus einem Epoxidharz(EP)-System, einem Polyurethan(PU)-System, einem Polyesterharz(UP)-System oder einem Phenolformaldehyd(PF)-System besteht. Im Fall eines thermoplastischen Polymers oder Kunststoffs sind große Vorteile zu erwarten, wenn die Matrix aus Polypropylen (PP), Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyamid (PA) besteht.
Was die zur Verstärkung dienende Faser angeht, finden sich besonders vielversprechende Einsatzgebiete des Verfahrens bei Faserverbundwerkstoffen mit einer Faser aus Kohlenstoff oder aus Glas, d.h. kohlenstofffaser- oder glasfaserverstärkten Polymeren oder Kunststoffen (CFKs oder GFKs). Die Faser ist bevorzugt eine Langfaser, die sowohl als unidirektional ausgerichtete Faser oder als Gewebe oder Geflecht in die Matrix eingebettet sein kann.
Neben der zuvor beschriebenen Anwendung kann das Verfahren gemäß der Erfindung auch zur Bestimmung des Spannungszustands in Bauteilen Verwendung finden, die ganz oder teilweise aus Holz oder einem Holzwerkstoff bestehen, zum Beispiel einem für IR-Strahlung durchlässigen Holzwerkstoff, der mit einem unter Belastung für IR-Strahlung anisotropen Kunstharz getränkt ist.
Ebenfalls besonders vorteilhaft ist der Einsatz des Verfahrens zur Ermittlung oder Bestimmung des Spannungszustands in einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen zwei Teilen oder Schichten eines Bauteils, wie beispielsweise einer Klebeverbindung zwischen zwei Teilen eines Bauteils oder zwei miteinander verklebten Schichten eines Laminats, oder zwischen zwei miteinander verbundenen, z.B. verklebten oder laminierten Bauteilen, um innerhalb der stoffschlüssigen Verbindung auftretende Schäden, wie eine Delaminierung oder sogenannte Kissing Bonds, d.h. Bereiche einer nur schwach adhäsiven Verbindung, frühzeitig zu erkennen. Anders als mit bekannten zerstörungsfreien Prüfverfahren, wie der Thermografie oder Ultraschall-Prüfverfahren, lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine durch solche Schäden verursachte lokale Veränderung des Spannungszustands erkennen und auch bei verbauten Bauteilen auf direktem Weg sichtbar machen, wenn die beiden Teile oder Schichten für IR-Strahlung durchlässig sind und mindestens eines der beiden Teile bzw. mindestens eine der beiden Schichten im unbelasteten Zustand isotrope Eigenschaften besitzt und unter Belastung für die IR-Strahlung anisotrop oder doppelbrechend wird.
Ein weiteres Einsatzgebiet ist die innere Spannungsanalyse in hybriden Verbundwerkstoffen, zum Beispiel Metall-Faserverbund-Schichtwerkstoffen (Fiber-Metal-Laminates, FML), um Aussagen zur Haftung der einzelnen Schichten untereinander zu erhalten. Auch hier ist Voraussetzung, dass der gesamte Schichtwerkstoff für IR-Strahlung durchlässig ist und zudem mindestens eine Komponente von mindestens einer der Schichten, z.B. die Matrix von einer Schicht oder ein zum Verbinden von zwei Schichten dienender Kleber, in unbelastetem Zustand für die IR-Strahlung isotrope Eigenschaften besitzt, während sie unter Belastung für die IR-Strahlung anisotrop oder doppelbrechend wird. Für eine solche innere Spannungsanalyse besonders gut geeignet sind Verbundwerkstoffe, die einen hohen Anteil an Werkstoffen mit derartigen Eigenschaften besitzen.
In beiden zuletzt genannten Fällen kann aus dem unter Belastung ermittelten Spannungszustand auf das Nichtvorliegen oder Vorliegen eines vollflächigen Kraftschlusses zwischen den beiden Teilen oder Schichten des Bauteils geschlossen werden.
Nicht zuletzt kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Spannungsanalyse innerhalb von einzelnen Laminatschichten einer Faserverbundstruktur eigesetzt werden.
Die zur Doppelbrechung bzw. Anisotropie für IR-Strahlung führende Belastung des Bauteils kann auf klassische Weise durch das Einwirken von mechanischen Kräften oder Momenten (Zugbeziehungsweise Druckkräfte oder auch Biege- und Torsionsmomente) aufgebracht werden. Die Kräfte und Momente sind entweder statisch oder dynamisch, wobei im letzteren Fall die dynamische Belastung auch eine Schwingungsanregung beinhalten kann.
Bevorzugt wird der gezielt aufgebrachte Spannungszustand mit Hilfe einer separaten Wärmequelle, zum Beispiel einem Heizkissen, oder einer gezielten Abkühlung, zum Beispiel durch sogenannte Cool-Pads erzeugt. Dabei wird vorzugsweise die Oberflächentemperatur des Bauteils während der Ermittlung des Spannungszustandes lokal verändert, am besten nur an einer Oberfläche des Bauteils, wobei es sich zweckmäßig um diejenige Seite handelt, die zugänglich bzw. dem polarisierenden Filter und dem IR-Sensor zugewandt ist. Dabei werden sowohl das Maß des Wärmeeintrags aus der Wärmequelle und dem IR-Strahler in das Bauteil als auch das Maß des Wärmedurchgangs durch das Bauteil infolge der durch das Bauteil hindurchtretenden IR-Strahlung so gewählt, dass das Bauteil dabei nicht oder nur minimal verändert wird. Dies ermöglicht eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, die im Rahmen der Qualitätsbewertung und der Qualitätsprüfung von Bauteilen, zum Beispiel Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen, durchgeführt werden kann.
Eine noch weitere Möglichkeit besteht darin, zum Aufbringen der Belastung akustische Signale, vorzugsweise hochfrequenten Schall im Bereich von 10 kHz bis 10 MHz in das Bauteil einzukoppeln.
Wenn der oder ein Werkstoff des Bauteils, zum Beispiel die Matrix eines Faserverbundwerkstoffs, unter Belastung für die IR-Strahlung anisotrop oder doppelbrechend wird, dann wird die auf das Bauteil einfallende polarisierte IR-Strahlung wie bei herkömmlichen spannungsoptischen Verfahren beim Hindurchtritt durch den Werkstoff in zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten zerlegt, die in Richtung der Hauptnormalspannungen des Werkstoffs senkrecht zueinander polarisiert sind. Auch hier treten die beiden Komponenten phasenverschoben wieder aus dem Werkstoff aus, wobei die Größe der Phasenverschiebung von der Hauptspannungsdifferenz abhängt. Nach dem Hindurchtritt durch den als Analysator dienenden, für IR-Strahlung polarisierenden Filter werden die vom Filter durchgelassene IR-Strahlung dem IR-Sensor zugeführt, der sie hochaufgelöst erfasst. Die vom IR-Sensor erfasste IR-Strahlung wird dann zum Beispiel mittels einer Bildverarbeitungssoftware des Detektors so umgewandelt, dass sie für einen Betrachter in Form von Isochromen und ggf. Isoklinen auf einer Anzeige des Detektors in einem sichtbaren Spektralbereich sichtbar ist.
Die auf das Bauteil einfallende polarisierte IR-Strahlung kann entweder aus einem IR-Strahler stammen, der monochromatische unpolarisierte IR-Strahlung emittiert, und in einem zwischen dem IR-Strahler und dem Bauteil angeordneten, als Polarisator dienenden, IR-Strahlung polarisierenden, z.B. aus Germanium bestehenden Filter linear polarisiert werden. Alternativ und bevorzugt wird als IR-Strahler oder IR-Quelle jedoch ein IR-Laser verwendet, der monochromatische polarisierte IR-Strahlung emittiert. Auf diese Weise kann der Polarisator vor dem Bauteil entfallen, wodurch eine höhere Messauflösung zu erwarten ist. In beiden Fällen liegt das Spektrum der monochromatischen Strahlung erfindungsgemäß im Spektralbereich von 1 mm bis 780 nm, d.h. im nahen bis fernen Infrarot.
Wie in der Spannungsoptik mit sichtbarem Licht kann auch die polarisierte IR-Strahlung vor und/oder hinter dem Bauteil durch eine λ/4-Wellen-Platte hindurch geleitet werden, wodurch statt linear polarisierter IR-Strahlung zirkulär polarisierte IR-Strahlung das Bauteil durchdringt.
Die Polarisationsrichtung des für IR-Strahlung polarisierenden Filters kann entweder parallel zur Polarisationsrichtung der auf das Bauteil einfallenden polarisierten IR-Strahlung sein, oder um 90 Grad gegenüber dieser verdreht sein.
Insbesondere dort, wo das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Bestimmung des Spannungszustands in einem in einem Fahrzeug oder Flugzeug verbauten Bauteil eingesetzt werden, ist die Vorrichtung vorzugsweise als mobile Vorrichtung ausgebildet, so dass sie an nahezu jeden Ort verbracht werden kann. Die Vorrichtung kann daher sowohl zur Qualitätssicherung vor Ort und bei der wiederkehrenden Wartung eingesetzt werden, beispielsweise von Faserverbundstrukturen in Flugzeugen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Untersuchung von Coupon-Proben, mit denen zum Beispiel eine Verbindungstechnik oder eine Faserverbundstruktur im Hinblick auf eine spätere Serienanwendung geprüft oder validiert werden kann.
Der Detektor ist bevorzugt eine Wärmebildkamera, in die der hochauflösende IR-Sensor integriert ist, so dass sie sich direkt zur Bestimmung des Spannungszustands eignet. Mit dem IR-Sensor lassen sich die inneren Spannungen an Rissspitzen oder Fehlstellen im Bauteil, z.B. in einem technischen Laminat, direkt erfassen und hinsichtlich des Betrags der Spannungen auswerten, was mit konventionellen Verfahren bislang nicht möglich ist. Wenn der IR-Sensor so ausgebildet ist, dass er den Spannungszustand im Bauteil im sichtbaren Spektrum sichtbar macht, kann der letztere von einem Betrachter unmittelbar ausgewertet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von vier in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Ansicht eines IR-Linear-Polariskops gemäß der Erfindung;
2 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren IR-Linear-Polariskops gemäß der Erfindung;
3 zeigt eine schematische Ansicht eines IR-Zirkular-Polariskops gemäß der Erfindung;
4 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren IR-Zirkular-Polariskops gemäß der Erfindung.

Bei den in der Zeichnung lediglich schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtungen 10 handelt es sich um ein IR-Linear-Polariskop 12 (1) bzw. 14 (2) sowie ein IR-Zirkular-Polariskop 16 (3) bzw. 18 (4).
Die Polariskope 12, 14, 16, 18 sind zum Einsatz bei der zerstörungsfreien Spannungsanalyse in lichtundurchlässigen Bauteilen 20 bestimmt, d.h. Bauteilen 20, die für elektromagnetische Strahlung in dem für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich mit Wellenlängen von 400 bis 700 µm lichtundurchlässig sind.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Bauteil 20 handelt es sich um ein Laminat aus mehreren übereinander angeordneten Schichten 22, die jeweils aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen und durch stoffschlüssige Klebeverbindungen zwischen benachbarten Schichten miteinander verbunden sind.
Der Faserverbundwerkstoff jeder Schicht 22 besteht aus einer Matrix aus einem duroplastischen oder thermoplastischen Polymer oder Kunststoff und einer in die Matrix eingebetteten, zur Verstärkung dienenden Faser. Das gesamte Bauteil 20, d.h. die Faserverbundwerkstoffschichten und die Klebeverbindungen, sind innerhalb eines Spektralbereichs von 1 mm bis 780 nm für Infrarot(IR)-Strahlung durchlässig.
Darüber hinaus ist der duroplastische oder thermoplastische Werkstoff der Matrix von mindestens einer der Schichten 22, vorzugsweise von allen Schichten 22, für monochromatische IR-Strahlung spannungsdoppelbrechend. Das bedeutet, dass er im unbelasteten Zustand für die monochromatische IR-Strahlung isotrope Eigenschaften besitzt und unter Beanspruchung für die IR-Strahlung anisotrop wird. „In unbelastetem Zustand für die IR-Strahlung isotrope Eigenschaften“ bedeutet, dass in diesem Zustand die Ausbreitungsgeschwindigkeit der IR-Strahlung innerhalb des Bauteils 20 richtungsunabhängig ist. „Unter Beanspruchung für die IR-Strahlung anisotrop“ bedeutet, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von durch das Bauteil 20 hindurchtretender IR-Strahlung innerhalb des Matrixwerkstoffs und damit des Bauteils 20 von der Polarisationsrichtung der IR-Strahlung abhängt.
Die in der Zeichnung dargestellten IR-Polariskope 12, 14, 16, 18 umfassen daher alle eine Strahlungsquelle 24, die monochromatische IR-Strahlung entlang einer optischen Achse 26 in Richtung des zu untersuchenden Bauteils 20 emittiert, Mittel 28 zur Polarisierung der IR-Strahlung vor dem Auftreffen auf das Bauteil 20, einen hinter dem Bauteil 20 auf der optischen Achse 26 im Strahlengang der IR-Strahlung angeordneten, IR-Strahlung polarisierenden Filter oder Analysator 30, einen im Strahlengang der IR-Strahlung hinter dem Analysator 30 angeordneten Detektor 32, sowie Mittel 34 zum Aufbringen einer Beanspruchung auf das Bauteil 20 während der Spannungsanalyse.
Bei den IR-Polariskopen 12 und 16 in den 1 und 3 ist die Strahlungsquelle 24 ein IR-Laser 36, der monochromatische linear polarisierte IR-Strahlung entlang der optischen Achse 26 emittiert und zugleich das Mittel 28 zur Polarisierung der emittierten IR-Strahlung bildet. Bei den IR-Polariskopen 14 und 18 in den 2 und 4 ist die Strahlungsquelle 24 ein IR-Strahler 38, der entlang der optischen Achse 26 unpolarisierte IR-Strahlung emittiert. Das Mittel 28 zur Polarisation der IR-Strahlung ist dort ein im Strahlengang zwischen dem IR-Strahler 38 und dem Bauteil 20 angeordneter Polarisationsfilter oder Polarisator 40, der die vom IR-Strahler 38 emittierte IR-Strahlung linear polarisiert. Der Polarisator 40 besteht aus Germanium oder einem anderen Material, mit dem sich IR-Strahlung linear polarisieren lässt.
Der Analysator 30 weist eine Polarisationsrichtung auf, die senkrecht oder parallel zur Polarisationsrichtung der IR-Strahlung vor dem Eintritt in das Bauteil 20 ausgerichtet ist, je nachdem, ob das Polariskop 12, 14, 16, 18 als Hellfeld- oder Dunkelfeld-Polariskop betrieben werden soll. Ebenso wie der Polarisator 40 besteht auch der Analysator 30 aus Germanium oder einem anderen Material, mit dem sich IR-Strahlung linear polarisieren lässt.
Der Detektor 32 dient zur Erfassung und Sichtbarmachung der durch das Bauteil 20 und den Analysator 30 hindurchgetretenen polarisierten IR-Strahlung. Der Detektor 32 kann zum Beispiel eine Wärmebildkamera mit einem auf der optischen Achse 26 angeordneten hochauflösenden IR-Sensor (nicht sichtbar) und einer integrierten Bildverarbeitungseinrichtung sein, welche die vom IR-Sensor erfasste polarisierte IR-Strahlung in ein für einen Betrachter sichtbares Bild umwandelt, das auf einer Anzeige der Kamera angezeigt und als Bilddatei gespeichert werden kann.
Bei den Mitteln 34 zum Aufbringen einer Beanspruchung auf das Bauteil 20 handelt es sich um eine Wärme- oder Kältequelle, z.B. ein Heizkissen 42, das gezielt Wärmestrahlung in Richtung des Bauteils 20 emittiert, um die Oberflächentemperatur an der dem Detektor 32 zugewandten Oberfläche des Bauteils 20 in der Nähe der optischen Achse 26 lokal zu verändern und dadurch in diesem Bereich Spannungen, zum Beispiel Biege-, Zug-, Druck- und/oder Scherspannungen im Bauteil 20 zu erzeugen. Mit den Mitteln 34 soll ein künstlicher Spannungszustand initiiert werden, wobei die erzeugte Spannung vom Betrag her so gering ist, dass eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung ermöglicht wird.
Im Vergleich zu den IR-Linear-Polariskopen 12, 14 in den 1 und 2 umfassen die beiden IR-Zirkular-Polariskope 16, 18 in den 3 und 4 jeweils noch zwei λ/4-Wellen-Platten 44, 46, von denen jeweils eine im Strahlengang der IR-Strahlung unmittelbar vor bzw. hinter dem Bauteil 20 angeordnet ist. Die λ/4-Wellen-Platte 44 vor dem Bauteil 20 dient zur Aufteilung des Feldstärke-Vektors der linear polarisierten IR-Strahlung in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilwellen gleicher Wellenlänge und Amplitude mit einer Phasenverschiebung von A/4, die zu einer Hauptrichtung der λ/4-Wellen-Platten 44, 46 senkrecht sind. Die Hauptrichtung der A/4-Wellen-Platte 44 ist gegenüber der Polarisationsrichtung der linear polarisierten IR-Strahlung vor dem Bauteil 12 um 45 Grad gedreht. Mit anderen Worten ist die IR-Strahlung hinter der A/4-Wellen-Platte 44 zirkulär polarisiert. Bei dem Polariskop 18 in 4 ist die λ/4-Wellen-Platte 44 zwischen dem Bauteil 20 und dem Polarisator 40 angeordnet.
In dem durch die Beanspruchung optisch anisotropen Bauteil 20 unterliegen die beiden Teilwellen einer Phasenverschiebung und überlagern sich beim Austritt aus dem Bauteil 20 wieder zu einer zirkular polarisierten Welle.
Die Hauptrichtung der A/4-Wellen-Platte 46 hinter dem Bauteil 20 ist gegenüber der Hauptrichtung der A/4-Wellen-Platte 44 vor dem Bauteil 20 um 90 Grad gedreht. Die λ/4-Wellen-Platte 46 bewirkt, dass die Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilwellen wieder aufgehoben wird, so dass aus der λ/4-Wellen-Platte 46 linear polarisiertes Licht zum Analysator 30 gelangt. Bei beiden Polariskopen 16, 18 in den 3 und 4 ist die λ/4-Wellen-Platte 46 zwischen dem Bauteil 20 und dem Analysator 30 angeordnet.
Sämtliche Polariskope 12, 14, 16, 18 sind mobile Einheiten, deren Komponenten 24 und 28 sowie ggf. 44 auf einer Seite des zu untersuchenden Bauteils 20 positionierbar sind, während die Komponenten 30, 32 und ggf. 46 auf der entgegengesetzten Seite des Bauteils 20 positionierbar sind. Dadurch können mit den Polariskopen 12, 14, 16, 18 auch vor Ort in einem im Einsatz befindlichen Bauteil 20 die Spannungszustände bestimmt werden.
Zur Bestimmung der Spannungszustände wird das Bauteil 20 von einer Seite mit monochromatischer polarisierter IR-Strahlung aus der Strahlungsquelle 24, d.h. dem IR-Laser 36 bzw. dem IR-Strahler 38 und dem Polarisator 40 bestrahlt, während zugleich ein Teil einer Oberfläche des Bauteils 20, nämlich der dem Detektor 32 zugewandten Oberfläche, mit Wärmestrahlung aus dem Heizkissen 42 bestrahlt wird, um dort die Oberflächentemperatur lokal zu verändern. Durch die einfallende Wärmestrahlung wird die bestrahlte Oberfläche im Bereich um die optische Achse 26 herum wärmer als die entgegengesetzte, der Strahlungsquelle 24 zugewandte Oberfläche. Dies führt zu einer lokalen thermischen Ausdehnung des Laminats, die innerhalb des Laminats Druck- und Biegespannungen hervorruft. Sofern im Bereich der einfallenden Wärmestrahlung zwei der Schichten 22 des Laminats nicht richtig miteinander verklebt sind, sondern dort nur durch eine schwach adhäsive Bindung (kissing bond) zusammengehalten werden, führt die unterschiedliche Erwärmung der beiden Schichten zudem in jeder der Schichten zu unterschiedlichen Spannungen. Auch an Rissen, Anrissen oder Fehlstellen im Laminat entstehen auf diese Weise Spannungen.
Die im Bauteil 20 induzierten Spannungen haben zur Folge, dass der zuvor isotrope duroplastische oder thermoplastische Werkstoff der Matrix des Faserverbundwerkstoffs von einer oder mehreren Schichten 22 des Laminats im Bereich um die optische Achse 26 herum für IR-Strahlung anisotrop wird. Dabei fallen die Richtungen der Anisotropie mit den Richtungen der Hauptnormalspannungen zusammen.
Bei den IR-Linear-Polariskopen 10, 12 in den 1 und 2 wird die auf das Bauteil 20 einfallende linear polarisierte monochromatische IR-Strahlung an den Stellen, an denen infolge der Wärmebestrahlung mit dem Heizkissen 42 Spannungen im Bauteil entstehen, in zwei Teilwellen mit derselben Wellenlänge aufgespalten wird. Die beiden Teilwellen breiten sich mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten im Bauteil 20 aus und sind senkrecht zueinander polarisiert, wobei ihre Polarisationsrichtung der Richtung der Hauptnormalspannungen im Bauteil 20 entspricht. Infolge der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten weisen die beiden Teilwellen beim Austritt aus dem Bauteil 20 eine Phasenverschiebung auf, die von der Differenz der Hauptnormalspannungen abhängt.
Von jeder der beiden aus dem Bauteil 20 austretenden Teilwellen lässt der Analysator 30 nur diejenige Komponente durch, die in der Polarisationsrichtung des Analysators 30 schwingt. Diese Komponenten der beiden Teilwellen sind stets gleich groß und zueinander entgegengesetzt.
Wenn die Polariskope 10, 12 als Dunkelfeld-Polariskope betrieben werden, sind die Polarisationsrichtungen der auf das Bauteil 20 einfallenden IR-Strahlung bzw. des Analysators um 90 Grad gegeneinander verdreht. In diesem Fall heben sich die vom Analysator 30 durchgelassenen Komponenten auf, wenn die Phasenverschiebung Null oder ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge beträgt. An diesen Stellen empfängt der IR-Sensor des Detektors 32 keine IR-Strahlung, so dass diese Stellen nach der Umwandlung der erfassten IR-Strahlung in sichtbares Licht auf der Anzeige der Wärmebildkamera als dunkle Linien (Isochromaten) angezeigt und damit auf direktem Weg sichtbar gemacht werden. Aus der Anzahl der Linien kann man auf die absolute Differenz der Hauptnormalspannungen schließen und damit die Spannungen hinsichtlich des Spannungsbetrags auswerten. Die macht eine zerstörungsfreie optische Bestimmung des Spannungszustands im Bauteil 20 möglich.

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien optischen Bestimmung eines Spannungszustands in einem Bauteil (20), wobei polarisierte elektromagnetische Strahlung durch das Bauteil (20) und durch mindestens einen polarisierenden Filter (30) hindurch zu einem Detektor (32) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (20) für sichtbares Licht undurchlässig und für IR-Strahlung in einem IR-Spektralbereich von 1 mm bis 780 nm durchlässig ist, dass die elektromagnetische Strahlung IR-Strahlung aus dem IR-Spektralbereich ist, dass die IR-Strahlung im Filter (30) polarisiert wird und dass im Detektor (32) die polarisierte IR-Strahlung von einem hochauflösenden IR-Sensor erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der vom IR-Sensor erfassten polarisierten IR-Strahlung der Spannungszustand im Bauteil (20) in einem für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich sichtbar gemacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (20) mindestens teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer unter Beanspruchung für IR-Strahlung doppelbrechenden Matrix aus einem Polymer oder Kunststoff besteht, dass die IR-Strahlung beim Hindurchtritt durch die Matrix in zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten aufgespalten wird, die mit den Richtungen von zwei Hauptnormalspannungen in dem Bauteil (20) identisch sind, und dass mindestens eine der Komponenten durch den polarisierenden Filter (30) zum Detektor (20) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mindestens teilweise aus einem Holzwerkstoff besteht, dass die IR-Strahlung beim Hindurchtritt durch den Holzwerkstoff in zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten aufgespalten wird, die mit den Richtungen von zwei Hauptnormalspannungen in dem Bauteil identisch sind, und dass mindestens eine der Komponenten durch den polarisierenden Filter (30) zum Detektor (32) geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (20) während der Ermittlung des Spannungszustandes einer Beanspruchung unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentemperatur des Bauteils (20) lokal verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentemperatur des Bauteils (20) an einer dem Detektor (32) zugewandten Oberfläche des Bauteils (20) verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisierte IR-Strahlung mittels eines IR-Lasers (36) oder mittels eines unpolarisierte IR-Strahlung emittierenden IR-Strahlers (38) und eines zwischen dem IR-Strahler (38) und dem Bauteil (20) angeordneten Polarisators (40) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisierte Strahlung vor und hinter dem Bauteil (20) durch eine λ/4-Wellen-Platte (44, 46) hindurch geleitet wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Bestimmung des Spannungszustands in einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere einer Klebeverbindung, zwischen zwei Teilen oder Schichten (22) des Bauteils (20).
Verwendung nach Anspruch 10 zur Bestimmung des Spannungszustands in einer schwach adhäsiven stoffschlüssigen Verbindung.
Verwendung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Spannungszustand auf das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines vollflächigen Kraftschlusses zwischen den zwei Teilen oder Schichten (22) des Bauteils (20) geschlossen wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Ermittlung des Spannungszustands in einem Bauteil (20), das mindestens einen Verbundwerkstoff, einen Faserverbundwerkstoff oder einen Holzwerkstoff umfasst.
Verwendung nach Anspruch 13 zur Ermittlung des Spannungszustands in einem mehrschichtigen Bauteil (20) aus einem oder mehreren Verbundwerkstoffen, Faserverbundwerkstoffen oder Holzwerkstoffen.
Verwendung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff, der Faserverbundwerkstoff oder der Holzwerkstoff eine unter Belastung für IR-Strahlung doppelbrechende Matrix aus einem Polymer oder Kunststoff und mindestens eine in der Matrix eingebettete Verstärkungsfaser umfasst.
Vorrichtung (10) zur zerstörungsfreien optischen Ermittlung eines Spannungszustands in einem Bauteil (20), mit Mitteln (24, 28) zur Erzeugung von polarisierter elektromagnetischer Strahlung und zum Hindurchleiten der polarisierten elektromagnetischen Strahlung durch das Bauteil (20), einem im Strahlengang der Strahlung hinter dem Bauteil (20) angeordneten Detektor (32) und einem im Strahlengang zwischen dem Bauteil (20) und dem Detektor (32) angeordneten polarisierenden Filter (30), dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (20) für sichtbares Licht undurchlässig und für IR-Strahlung in einem IR-Spektralbereich von 1 mm bis 780 nm durchlässig ist, dass die elektromagnetische Strahlung IR-Strahlung aus dem IR-Spektralbereich ist, dass der Filter die durch das Bauteil (20) hindurchgetretene IR-Strahlung polarisiert und dass der Detektor (32) einen hochauflösenden IR-Sensor umfasst, der die polarisierte IR-Strahlung erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (32) anhand der vom IR-Sensor erfassten polarisierten IR-Strahlung den Spannungszustand im Bauteil (20) in einem für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich sichtbar macht.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die IR-Strahlung monochromatische IR-Strahlung ist.