DE102019211988B4

DE102019211988B4 - Verfahren zur Auswertung von Lockin-Thermografie Phasenbildern

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Publication number: DE102019211988B4
Application number: DE102019211988.3A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2021-12-02
Anticipated expiration: 2039-08-10
Also published as: DE102019211988A1

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zur Auswertung von Lockin-Thermografie Phasenbildern von, insbesondere hybridausgeprägten, Prüfkörpern, wie beispielsweise Faserverbundbauteilen. Dieses dient zur - insbesondere statistisch abgesicherten - Erkennung, Charakterisierung und Quantifizierung von Fehlstellen der Prüfkörper. Vorzugsweise sind hierfür geeignet definierte Kennzahlen und/oder Parameter vorgesehen. Bei dem Verfahren werden vorzugsweise folgende Verfahrensschritte eingesetzt:- Bereitstellen oder Herstellen zumindest eines oder einer Mehrzahl von Basis-Referenzkörpern. Vorzugsweise ist zumindest ein Strukturausschnitt des Basis-Referenzkörpers und/oder der Basis-Referenzkörper bezüglich thermografisch detektierbarer Fehlstellen defektfrei.- In einem weiteren Schritt erfolgt ein Erfassen von zumindest einem Phasenbild des Basis-Referenzkörpers, unter Anwendung zumindest einer oder mehrerer Anregungsfrequenz/en, wobei die Lockin-Thermografie eingesetzt wird.- In weiterer Ausgestaltung werden bei einem Basis-Referenzkörper GA und/oder GB, falls ein, insbesondere flächiges, Zusatzelement vorgesehen ist, im Phasenbild, insbesondere unter Beachtung des Zusatzelements, neben einer reinen, strukturellen Homogenität des Referenzkörpers, thermografisch homogene Zonen spezifiziert, innerhalb derer eine homogene Phasenbildgebung erfolgt. Die Zonen werden über ein Referenzkriterium voneinander abgegrenzt. Die sowohl strukturell als auch thermografisch homogenen Zonen werden als Prüfzonen (Region of Interest - ROI) deklariert und gesondert betrachtet. Auf Basis der Prüfzonen kann ein bestimmter, homogener Grundkörperaufbau definiert werden. Vorzugsweise kann dann über die Prüfzonen die Kalibrierung der Messtechnik der Lockin-Thermografie erfolgen.- In einem weiteren Schritt kann vorzugsweise ein Auswerten zumindest eines Phasenbilds des Prüfkörpers erfolgen. Insbesondere können aus den Prüfzonen Kennzahlen oder Parameter ermittelt werden, die mit entsprechenden Kennzahlen oder Parametern des Phasenbilds eines gegebenenfalls defektbehafteten Prüfkörpers verglichen werden. Durch den Vergleich können auf einfache Weise Fehlstellen ermittelt und charakterisiert werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Lockin-Thermografie Phasenbildern von Prüfkörpern zur Erkennung, Charakterisierung und Quantifizierung von Fehlstellen der Prüfkörper.
Bestehendes technisches Problem
Auf dem Gebiet der aktiven Thermografie herrschen hinsichtlich der Bestimmung einer prüfaufgabenspezifischen, thermografischen Prüfkonfiguration und Prüfparametrik, zur Erreichung einer gewünschten Fehlstellensichtbarkeit mit vorhersagbarer Detektionswahrscheinlicheit einer relevanten Fehlstellenausprägung, große Unsicherheiten vor. Diese werden durch einen intensiven, manuellen Aufwand zur Realisierung der Prüfkonfiguration sowie der gesamten Prüfprozessgestaltung und -durchführung verstärkt, was zu starken Schwankungen hinsichtlich der Reproduzierbarkeit des Prüfprozesses selbst sowie der dadurch generierten Prüfergebnisse führt.
Zwar unterliegt die aktive Thermografie aktuell einer grundlegenden Normung, diese erlaubt jedoch lediglich eine erste Orientierung bezüglich Begrifflichkeiten, Funktionsprinzip, Komponentenauswahl und Prüfprozessgestaltung (siehe hierzu eine Auflistung relevanter Normen nach Schichtling 2012, S. 11-12 - Schichtling, J.: Integrale Verfahren der aktiven Infrarotthermografie. Dissertation. Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme der Technischen Universität Berlin (2012). Berlin: BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung 2012. ISBN: 978-3-9815134-6-2. BAM-Dissertationsreihe Band 91). Es wird keine allgemeingültige Vorgehensweise bezüglich der Generierung und Bereitstellung prüfaufgabenspezifischer Prüfparametersätze behandelt. Ferner werden keine Hinweise zur Sicherstellung einer reproduzierbaren, thermografischen Prüfprozessgestaltung gegeben.
Sämtliche soeben genannte Aspekte resultieren in einer mangelnden industriellen Akzeptanz einer, grundsätzlich mit vielfältigen Vorteilen verbundenen Prüfmethode (Vorteile der aktiven Thermografie siehe z. B. Siemer 2010, S. 7 - Siemer, U.: Einsatz der Thermografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren in der Automobilindustrie - Entwicklung einer Ingenieurplattform. Dissertation. Naturwissenschaftlich Technische Fakultät III Chemie, Pharmazie und Werkstoffwissenschaften der Universität des Saarlandes, Saarbrücken: 2010).
Hintergrund der Erfindung
Insbesondere im Zuge sicherheitsrelevanter Anwendungen wie der Luftfahrt werden zerstörungsfreie Prüfprozesse üblicherweise manuell durchgeführt (Staszewski et al. 2003, S. 59 - Staszewski, W. J.; Boller, C.; Tomlinson, G. R.: Health Monitoring of Aerospace Structures: Smart Sensor Technologies and Signal Processing. New York: John Wiley & Sons, Ltd. 2003). Aus diesem Grund unterliegen diese Prozesse dem Einfluss menschlicher Unsicherheiten und Fehler. Zudem können weitere Einflussfaktoren wie beispielsweise Inhomogenitäten des Prüfobjekts selbst, der Messmethode, des Messmittels oder auch der Umwelt auftreten und zu einer verstärkten Variation der Prüfergebnisse, bei gleichzeitig äquivalenter Prüfaufgabe führen (VDA 2003 - VDA Band 5: Qualitätsmanagement in der Automobilindustrie: Prüfprozesseignung - Verwendbarkeit von Prüfmitteln Eignung von Prüfprozessen Berücksichtigung von Messunsicherheiten. Berlin: Verband der Automobilindustrie e.V. 2003).
Die Methode der aktiven Thermografie erlangt auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Bauteilprüfung (ZfP) zunehmend an Bedeutung. Mit ihr ist es möglich, oberflächennahe Fehlstellen in Bauteilen zu detektieren (Müllerferli 1993, S. 133 - Müllerferli, G.: Vergleich von radiologischen, zerstörungsfreien Prüfverfahren für Faserverbundkunststoffe. Dissertation. Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen. Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), RWTH Aachen. Aachen: Verlag der Augustinus Buchhandlung 1993. ISBN: 3-86073-117-3), indem Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit und damit des Wärmeflusses im Bauteilinneren schnell und großflächig erkannt werden (Bauer 2005, S. 0 - Bauer, N. (Red.): Leitfaden zur Wärmefluss-Thermographie - Zerstörungsfreie Prüfung mit Bildverarbeitung. Erlangen: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. 2005, S. 0. ISBN: 3-8167-6754-0). Durch eine externe, thermische Anregung lässt sich gezielt Wärme in das Bauteil einbringen (Siemer 2010, S. 8 - Siemer, U.: Einsatz der Thermografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren in der Automobilindustrie - Entwicklung einer Ingenieurplattform. Dissertation. Naturwissenschaftlich Technische Fakultät III Chemie, Pharmazie und Werkstoffwissenschaften der Universität des Saarlandes, Saarbrücken: 2010; Kochan 2011, S. 13 - Kochan, A.: Untersuchung zur zerstörungsfreien Prüfung von CFK-Bauteilen für die fertigungsbegleitende Qualitätssicherung im Automobilbau. Dissertation. Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden. Dresden: 2011) oder in diesem erzeugen (Homma 2007 - Homma, C.: Untersuchungen zu Mechanismus und technischer Umsetzung der akustischen Thermographie. Dissertation. Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät III Chemie, Pharmazie, Bio- und Werkstoffwissenschaften. Universität des Saarlandes. Saarbrücken: 2007; Grellmann & Seidler 2011, S. 503 - Grellmann, W.; Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. 2. Auflage. München: Carl Hanser 2011. ISBN: 978-3-446-42722-8). Jedoch treten auch hier die oben erwähnten Aspekte der Unsicherheit in den Vordergrund und führen zu einer mangelnden Akzeptanz dieser Prüfmethode im industriellen Umfeld.
Die Fähigkeit einer zuverlässigen und reproduzierbaren Quantifizierung relevanter Fehlstellenausprägungen auf Basis thermografischer Bilddaten wäre in diesem Zusammenhang zwingend erforderlich. Grundlagenbasierte Möglichkeiten hierzu schildern Balageas et al. (2015 - Balageas, D. L.; Roche, J.-M.; Leroy, F.-H.: Quantitative assessment of defect characterization using TSR coefficient images. QIRT 2015. Mahabalipuram (Indien): 2015), wobei sich diese Untersuchungen auf die Existenz nicht hybrider Faserverbund-Grundkörperausprägungen beschränken und nur wenig Rückschlüsse auf den Aspekt der Reproduzierbarkeit zulassen.
Das Verfahren der Lockin-Thermografie basiert auf der periodischen Erwärmung der Bauteiloberfläche oder des Defektes selbst, mithilfe eines frequenzmodulierten Anregungssignals. Die anschließende Detektion der zeitlichen Veränderung der Oberflächentemperatur des Prüfkörpers lässt eine Messung der Abweichung des Wärme-Antwortsignals von dem jeweiligen Anregungssignal, hinsichtlich Intensität (Amplitude) und zeitlichem Versatz (Phase), mit anschließender Reduktion des gesamten Bilderstapels auf zwei Bilder (Amplitudenbild, Phasenbild) zu (Busse et al. 1992 - Busse, G.; Wu, D.; Karpen, W.: Thermal wave imaging with phase sensitive modulated thermography. Journal of Applied Physics 71, 3962 (1992), Melville: AIP Publishing LLC 1992; Wu 1996, S. 19-20 und S. 67-80-Wu, D.: Lockin-Thermographie für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und Werkstoffcharakterisierung. Dissertation. Fakultät für Verfahrenstechnik der Universität Stuttgart. Stuttgart: 1996).
Eine erfolgreiche Fehlstellendetektion mithilfe der Lockin-Thermografie ist stark von der gewählten Anregungsfrequenz und der damit verbundenen, erreichbaren thermischen Eindringtiefe abhängig (Maldague et al. 2001, S. 318 - Maldague, X. P.; Beaudoin, J. L.; Bissieux, C.; Busse, G.; Galmiche, F. R.; Henneke, E.G.; Luong, M. P.; Offermann, S.; Osiander, R.; Plotnikov, Y. A.; Rüssel, S. S.; Spicer, J. M.: Techniques of Infrared Thermography. In: Maldague, X. P.; Moore, P. O.: Nondestructive Testing Handbook. Third Edition. American Society for Nondestructive Testing, Inc., Columbus: 2001). Neben einer zu hohen Anregungsfrequenz und einer damit verbundenen, zu gering ausgeprägten thermischen Eindringtiefe des Anregungssignals, kann die Anwendung der so genannten „Blindfrequenz“ dazu führen, dass Fehlstellen in einer bestimmten Fehlstellentiefe nicht erkannt werden. Dies liegt darin begründet, dass sich eine Interferenz des Anregungstemperaturfeldes und der an der Fehlstelle reflektierten thermischen Welle ausbildet (Bennett & Patty 1982 - Bennett, C. A.; Patty R. R.: Thermal wave interferometry: a potential application of the photoacoustic effect. In: Applied Optics Vol. 21, Issue 1. 1982, pp. 49-54, S. 51-52; Riegert 2007, S. 27 - Riegert, G.: Induktions-Lockin-Thermografie - ein neues Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung. Dissertation. Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart. Stuttgart: 2007). Die Folge ist ein Minimum der Fehlerkontrastausprägung bei variierender Anregungsfrequenz und damit eine stark reduzierte Fehlstellensichtbarkeit.
Das mithilfe der Lockin-Thermografie erzeugbare Phasenbild besitzt den großen Vorteil, dass es sowohl im Rahmen einer optischen Anregung (optische Lockin-Thermografie) als auch einer Wirbelstrom-, Ultraschall- oder Heiß- bzw. Kaltluftanregung (unter Einsatz entsprechender Lockin-Systemtechnik) und damit im Zuge einer Vielzahl thermografischer Prüfanwendungen erzeugbar ist. Des Weiteren resultieren neuartige Thermografieverfahren wie die Ultraschall-Burst-Phasen-Thermografie oder die Puls-Phasen-Thermografie ebenfalls in einem Phasenbild.
Diese Art der Bildgebung bewirkt eine kontrastreiche Fehlstellendarstellung ohne nennenswerte Beeinflussung der Fehlstellensichtbarkeit durch unterschiedliche Emissivitäten der Prüfteiloberfläche (Wu 1996, S. 26 - Wu, D.: Lockin-Thermographie für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und Werkstoffcharakterisierung. Dissertation. Fakultät für Verfahrenstechnik der Universität Stuttgart. Stuttgart: 1996; Röllig et al. 2013, S. 7 - Röllig, M.; Steinfurth, H.; Ziegler, M.: Untersuchung von Hochleistungs-LEDs für den Einsatz in der zerstörungsfreien Prüfung mittels Thermografie. In: Deutsche Gesellschaft Für Zerstörungsfreie Prüfung E. V. (DGZfP) (Hrsg.): DGZfP-Berichtsband - Thermographie-Kolloquium 2013. Stuttgart / Deutschland, 26. - 27. September 2013. Vortrag 3). Des Weiteren ist das Phasenbild verhältnismäßig robust hinsichtlich variierender Oberflächenbeschaffenheiten sowie geringfügiger Oberflächenverschmutzungen des Prüfkörpers. Aus diesem Grund eignet es sich besonders für einen möglichen Transfer thermografischer Prüftechnik vom Laboreinsatz hin zu automatisierten Serienprozessen (Siemer 2010, S. 21 - Siemer, U.: Einsatz der Thermografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren in der Automobilindustrie - Entwicklung einer Ingenieurplattform. Dissertation. Naturwissenschaftlich Technische Fakultät III Chemie, Pharmazie und Werkstoffwissenschaften der Universität des Saarlandes, Saarbrücken: 2010). Es wird ferner kaum durch eine ungleichmäßige Erwärmung der Prüfteiloberfläche (Marinetti et al. 1999, S. 1 - Marinetti, S.; Plotnikov, Y. A.; Winfree, W. P.; Bragiotti, A.: Pulse phase thermography for defect detection and visualization. NASA Technical Documents, 1999; Wu 1996, S. 26 - Wu, D.: Lockin-Thermographie für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und Werkstoffcharakterisierung. Dissertation. Fakultät für Verfahrenstechnik der Universität Stuttgart. Stuttgart: 1996) oder eventuelle Leistungsabweichungen baugleicher Anregungsquellen (Netzelmann 2005, S. 10 - Netzelmann, U.: Moderne Thermografieverfahren - Impuls und Lock-In-Thermografie (Beitrag 3). In: Bauer, N. (Red.): Leitfaden zur Wärmefluss-Thermographie - Zerstörungsfreie Prüfung mit Bildverarbeitung. Erlangen: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. 2005. ISBN: 3-8167-6754-0) beeinflusst. Abschließend ist zu erwähnen, dass das Phasenbild auch von der Orientierung des Prüfteils vor der Thermografiekamera weitgehend unabhängig ist (Perterer 2012, S. 16 - Perterer, M.: Schadensidentifikation und -bewertung von CFK-Bauteilen mittels phasenmodulierter Thermographie. Dissertation. Lehrstuhl für Leichtbau, Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München. München: 2012) und sich zusätzlich etwa die doppelte Detektionstiefe, im Vergleich zu einem Amplitudenbild, bei gleicher, lateraler Fehlstellenausdehnung und Fehlstellentiefe erreichen lässt (Busse 1979, S. 759 - Busse, G.: Optoacoustic phase angle measurement for probing a metal. In: Applied Physics Letters, vol. 35, 10 (1979), Melville: AIP Publishing LLC 1979; Busse & Rosencwaig 1980, S. 816 - Busse, G.; Rosencwaig, A.: Subsurface imaging with photoacoustics. Applied Physics Letters, vol. 36, Melville: AIP Publishing LLC 1980; Kochan 2011, S. 113 - Kochan, A.: Untersuchung zur zerstörungsfreien Prüfung von CFK-Bauteilen für die fertigungsbegleitende Qualitätssicherung im Automobilbau. Dissertation. Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden. Dresden: 2011).
Dabei gilt die Faustregel, dass eine Fehlstelle in etwa bis zu einer Tiefe detektierbar ist, die der lateralen Fehlstellenausdehnung entspricht (Kochan 2011, S. 113 - Kochan, A.: Untersuchung zur zerstörungsfreien Prüfung von CFK-Bauteilen für die fertigungsbegleitende Qualitätssicherung im Automobilbau. Dissertation. Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden. Dresden: 2011). Statistisch abgesicherte, material- und fehlstellenspezifische Daten sind hierzu jedoch zum aktuellen Zeitpunkt nicht bekannt.
Sowohl die thermische Anregung als auch die Wärmeleitung im Bauteilinneren lässt sich mithilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) simulieren. Dies kann beispielsweise eine Rekonstruktion der lateralen, thermografischen Fehlstellenausdehnung auf der Bauteiloberfläche ermöglichen. Auf die Simulation der Lockin-Thermografie geht unter anderem Wu (1996, S. 62-65 Wu, D.: Lockin-Thermographie für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und Werkstoffcharakterisierung. Dissertation. Fakultät für Verfahrenstechnik der Universität Stuttgart. Stuttgart: 1996) ein. Die Defektgrundfläche wird hierbei idealisiert als Kreis und die Defektgeometrie als Zylinder angenommen. Auch Perterer (2012, S. 49-67 - Perterer, M.: Schadensidentifikation und -bewertung von CFK-Bauteilen mittels phasenmodulierter Thermographie. Dissertation. Lehrstuhl für Leichtbau, Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München. München: 2012) simuliert die Fehlstellendetektion einfacher, künstlich erzeugter Materialtrennungen und Fremdkörpereinschlüsse auf Basis der Lockin-Thermografie mithilfe des Finite-Elemente-Programms ANSYS®. Allerdings stellen künstlich eingebrachte Fehlstellen eine starke Abstraktion natürlicher Fehlstellen dar, was letztendlich den Realitätsbezug derartiger Untersuchungen in Frage stellt.
Insgesamt lässt sich festhalten, dass aktuell lediglich vereinzelte, grundlegende Lösungsansätze hinsichtlich einer simulationsgestützten, thermografischen Bauteilprüfung existieren, welche zwar eine erste Abschätzung bezüglich der Fehlstellendetektierbarkeit im Vorfeld des realen, thermografischen Prüfprozesses zulassen, allerdings keine ausreichend abgesicherten Daten hinsichtlich realistisch ausgeprägter Fehlstellen bereitstellen. Ferner ist eine simulationsgestützte, thermografische Untersuchung hybrider Verbindungszonen im Faserverbundbereich zum aktuellen Zeitpunkt, aufgrund der in diesem Zusammenhang auftretenden, komplexen Wärmeleitprozesse, nicht möglich. Somit scheidet ein simulationsgestützter Erkenntnisgewinn aus und muss durch eine experimentelle Methodik mit dem Ziel einer umfassenden Datengenerierung ersetzt werden.
Aus Stand der Technik und der Forschung lässt sich ableiten, dass aktuell keiner der genannten technischen beziehungsweise entwicklungsbasierten Ansätze sowie aktuelle Forschungsvorhaben eine vollständige Parametrierung der thermografischen Prüfaufgabe abbildet. Aus diesem Grund wird nicht die erforderliche Informationstiefe für eine vollständige, wissensbasierte Erfassung des gesamten, thermografischen Prüfprozesses, unabhängig von dem industriellen Anwendungsgebiet, erreicht.
Grundlegende Forschungsarbeiten beschreiben experimentelle Untersuchungen hinsichtlich der Relevanz thermografischer Prüfparameter (Myrach et al. 2016 - Myrach, P.; Maierhofer, C.; Rahammer, M.; Kreutzbruch, M.: Parameter für die Lockin-Thermografie von CFK. Materials Testing Vol. 58 (1). München: Carl Hanser 2016, pp. 31-35; Bwembya 2017 - Bwembya, E. M.: Lockin Thermography Parameter Investigation. Masterarbeit. Faculty of Engineering. Stellenbosch University. Stellenbosch (Südafrika): 2017). Der Begriff der Relevanz bezeichnet in diesem Zusammenhang die Existenz eines direkten oder indirekten Einflusses des jeweiligen thermografischen Prüfparameters auf die Fehlstellensichtbarkeit (Fehlerkontrast).
Siemer (2010 Siemer, U.: Einsatz der Thermografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren in der Automobilindustrie - Entwicklung einer Ingenieurplattform. Dissertation. Naturwissenschaftlich Technische Fakultät III Chemie, Pharmazie und Werkstoffwissenschaften der Universität des Saarlandes, Saarbrücken: 2010) und Thiemann (2015 Thiemann, C.: Methode zur Konfiguration automatisierter thermografischer Prüfsysteme. Dissertation. Technische Universität München. München: Herbert Utz Verlag 2015) fokussieren im Zuge einer methodischen Konfiguration (automatisierter) thermografischer Prüfsysteme insbesondere die Systemkomponentenebene. Kochan (2011 Kochan, A.: Untersuchung zur zerstörungsfreien Prüfung von CFK-Bauteilen für die fertigungsbegleitende Qualitätssicherung im Automobilbau. Dissertation. Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden. Dresden: 2011) konzentriert sich in ihrer Arbeit primär die Automobilindustrie und bewertet die Eignung der Prüfmethoden der Ultraschalltechnik, der Röntgentechnik und der Thermografie für eine fertigungsbegleitende Qualitätssicherung.
Ein Expertensystem auf dem Gebiet der Thermografie, welches hybride Faserverbundstrukturen fokussiert, fehlt gänzlich. Ein derartiges System würde dazu beitragen, das erforderliche Erfahrungswissen für eine verlässliche, prüfaufgabenspezifische, zerstörungsfreie Qualitätssicherung bereitzustellen (Pan & Chu 2011, S. 91 - Pan, Y.; Chu, T.: Intelligent Non-Destructive Evaluation Expert System for Carbon Fiber Reinforced Plastics Panel Using Infrared Thermography. In: Proulx, T. (Editor): Thermomechanics and Infra-Red Imaging. Volume 7: Proceedings of the 2011 Annual Conference on Experimental and Applied Mechanics. New York (Vereinigte Staaten), Dordrecht, Heidelberg, London (England): Springer 2011) und zu einem vermehrten industriellen Einsatz der Thermografie führen. Des Weiteren würde ein entsprechendes Expertensystem das Problem des sogenannten „big data“ lösen, welches insbesondere auch im ZfP-Bereich vorliegt (Gadve et al. 2013, S. 1 - Gadve, S.; Sunnapawar, V.; Thampi, G. T.: Investigating Integration of Database Technique in NDT Enterprises To Make It Efficient And Research Enabled. Asia Pacific Conference on Non-Destructive Testing (14th APCNDT). Mumbai (Indien): 2013).
Durch die Bereitstellung lediglich relevanter, prüfaufgabenspezifischer, thermografischer Prüfparametersätze würde ein besseres Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen den Prozessparametern und dem Prüfprozess selbst erreicht werden (Abele & Reinhart 2011, S. 213 - Abele E.; Reinhart G.: Zukunft der Produktion. Herausforderungen, Forschungsfelder, Chancen. München: Carl Hanser 2011).
Da die zerstörungsfreie Prüfung von Faserverbundbauteilen (Faserverbundkunststoff = FVK) sowohl für den FVK-Hersteller als auch für den FVK-Anwender von großer Wichtigkeit ist (Pan & Chu 2011, S. 91 - Pan, Y.; Chu, T.: Intelligent Non-Destructive Evaluation Expert System for Carbon Fiber Reinforced Plastics Panel Using Infrared Thermography. In: Proulx, T. (Editor): Thermomechanics and Infra-Red Imaging. Volume 7: Proceedings of the 2011 Annual Conference on Experimental and Applied Mechanics. New York (Vereinigte Staaten), Dordrecht, Heidelberg, London (England): Springer 2011), liegt die zukünftige Nutzung eines entsprechenden Systems durch beide potenzielle Anwendergruppen nahe.
Ein durch Große (2014 - Große, C.: Bausteine für eine moderne zerstörungsfreie Prüfung von Faserwerkstoffen. In: SKZ-ConSem GmbH (Hrsg.): 4. Würzburger Tagung Innovative zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) für moderne Kunststoffe. Würzburg, 20.-30.10.2014. Würzburg: SKZ-ConSem GmbH 2014) vorgestelltes Ablaufschema adressiert charakteristische zerstörungsfreie Prüfmethoden im Produktionsprozess und schafft einen übergeordneten Rahmen für die Entwicklung eines derartigen Expertensystems. Die vorliegende Erfindung fokussiert konkret die thermografische Bauteilprüfung und erarbeitet sowohl die methodische als auch die experimentelle Basis für die Etablierung der erforderlichen wissensbasierten Prozesse auf dem Gebiet der hybriden Faserverbundkonstruktion.
Die dem Expertensystem zugrundeliegende und im Zuge dieser Erfindung behandelte Methodik nutzt grundlegende Vorgehensweisen aus der digitalen Bildverarbeitung. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang Techniken wie zum Beispiel die Nutzung der Oberflächenstruktur beziehungsweise -textur zur Erkennung einer geeigneten Rasterfeldgröße, das Segmentieren unterschiedlicher Bildbereiche unter Berücksichtigung einer oder mehrerer Schwellwerte, das Bildglätten mithilfe der Mittelwert- oder Medianfilterung oder die Bildsubtraktion. Grundlagen in diesem Themenumfeld vermitteln Literaturquellen wie Rosenfeld & Kak (1976-Rosenfeld, A.; Kak, A. C.: Digital Picture Processing. New York (Vereinigte Staaten): Academic Press Inc. 1976), Gonzalez & Wintz (1977 - Gonzalez, R. C.; Wintz P. A.: Digital Image Processing. Boston (Vereinigte Staaten): Addison-Wesley Pub. Co. 1977) sowie Pratt (1978 - Pratt, W. K.: Digital Image Processing. New York (Vereinigte Staaten): Wiley & Sons 1978). Weiterführend behandeln unter anderem Rosenfeld & Kak (1976 - Rosenfeld, A.; Kak, A. C.: Digital Picture Processing. New York (Vereinigte Staaten): Academic Press Inc. 1976), Fu & Mui (1981 - Fu, K. S.; Mui, J. K.: A Survey on Image Segmentation. In: Pattern Recognition. Volume 13, 1981 - Issue 1. Amsterdam (Niederlande): Elsevier 1981, pp. 3-16), Gupta & Wintz (1975 - Gupta, J. N.; Wintz, P. A.: A boundary finding algorithm and ist applications. IEEE Transactions on Circuits and Systems. Volume CAS-22. Apr. 1975. West Lafayette (Vereinigte Staaten): NASA 1975, pp. 351-362) sowie Marr & Hildreth (1980 - Marr, D.; Hildreth, E.: Theory of edge detection. Proc. R. Soc. Lond. B 207. M.I.T. Psychology Department and Artificial Intelligence Laboratory. Cambridge, Massachusetts (Vereinigte Staaten): 1980, pp. 187-217) das Thema der Kantenerkennung und Segmentierung. Niemann (1974 - Niemann, H.: Methoden der Mustererkennung. Frankfurt am Main: Akademische Verlagsgesellschaft 1974) zeigt zudem unterschiedliche Methoden der Mustererkennung auf.
Während sämtliche genannten Techniken der digitalen Bildauswertung auf die thermografische Bildgebung angewendet werden können, beschreiben ergänzend hierzu Shepard (2001 - Shepard, S. M.: Advances in Pulsed Thermograhpy. SPIE Proceedings, Volume 4360. Aerospace/Defense Sensing, Simulation and Controls. Orlando (Vereinigte Staaten): 2001, pp. 511-515), Maldague et al. (2002 - Maldague, X. P. V.; Galmiche, F.; Zaidi, A.: Advances in pulsed phase thermography. Infrared Physics & Technology 43 (2002). Amsterdam (Niederlande): Elsevier 2002), Shepard et al. (2004 - Shepard, S. M.; Hou, Y.; Lhota, J. R.: Quantitative Characterization of Thermographic Sequence Data. 16th World Conference on Non-Destructive Testing. Montreal (Canada): 2004), Shepard et al. (2005 - Shepard, S. M., Hou, Y., Lhota, J. R., Tasdiq, A.: Quantitative Comparison of Thermographic Data Sequences. Materials Evaluation 63 (7). American Society for Nondestructive Testing (ASNT). Ohio (Vereinigte Staaten): 2005, pp. 740-745) und Benitez et al. (2006 - Benitez, H. D.; Ibarra-Castanedo, C.; Loaiza, H.; Caicedo, E.; Bendada, A.H.; Maldague, X. P. V.: Defect Quantification with Thermographic Signal Reconstruction and Artificial Neural Networks. In: Proceedings of QIRT 2006, Padova (Italien): 2006) sowie Roche et al. (2014 - Roche, J.-M.; Leroy, F.-H.; Balageas, D: Images of Thermographic Signal Reconstruction Coefficients: A Simple Way for Rapid and Efficient Detection of Discontinuities. Materials Evaluation. American Society for Nondestructive Testing (ASNT). Ohio (Vereinigte Staaten): 2014) und Balageas et al. (2015 - Balageas, D. L.; Roche, J.-M.; Leroy, F.-H.: Quantitative assessment of defect characterization using TSR coefficient images. QIRT 2015. Mahabalipuram (Indien): 2015) unterschiedliche Fitting- und Rekonstruktionsmethoden auf logarithmischer oder polynomialer Basis für thermografische Detektionssignale.
Offenbarung der Erfindung
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Auswertung von Lockin-Thermografie Phasenbildern von Prüfkörpern oder Probekörpern zu schaffen, mit dem auf einfache Weise kostengünstig und sicher Fehlstellen erkennbar sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Auswertung von Lockin-Thermografie Phasenbildern von, insbesondere hybridausgeprägten, Prüfkörpern oder Probekörpern, wie beispielsweise Faserverbundbauteilen, vorgesehen. Dieses dient zur - insbesondere statistisch abgesicherten - Erkennung, Charakterisierung und Quantifizierung von Fehlstellen der Prüfkörper. Vorzugsweise sind hierfür geeignet definierte Kennzahlen und/oder Parameter vorgesehen. Bei dem Verfahren werden vorzugsweise folgende Verfahrensschritte eingesetzt:

- Bereitstellen oder Herstellen zumindest eines oder einer Mehrzahl von Basis-Referenzkörpern GA. Vorzugsweise wird eine aus statistischer Sicht ausreichende Mehrzahl oder Vielzahl verwendet. Der Basis-Referenzkörper GA entspricht vorzugsweise hinsichtlich seiner räumlichen und strukturellen Ausgestaltung, also insbesondere seinem Design und seiner Materialzusammensetzung, dem zu untersuchenden Prüfkörper oder Probekörper. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest ein vorbestimmter Strukturausschnitt des Basis-Referenzkörpers GA hinsichtlich seiner räumlichen und strukturellen Ausgestaltung einem jeweiligen entsprechend vorgesehenen Strukturausschnitt des zu untersuchenden Prüfkörpers entspricht. Falls der Prüfkörper und/oder der Strukturausschnitt des Prüfkörpers zumindest ein Zusatzelement einer vorbestimmten Kategorie, insbesondere ein Zusatzelement B, aufweist, dann ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Basis-Referenzkörper GA ebenfalls das zumindest eine Zusatzelement oder Zusatzelement B in entsprechender räumlicher Anordnung aufweist. Des Weiteren ist vorzugsweise der zumindest eine Strukturausschnitt des Basis-Referenzkörpers GA und/oder der Basis-Referenzkörper GA bezüglich thermografisch detektierbarer Fehlstellen defektfrei oder als defektfrei zu charakterisieren. Somit ist vorzugsweise keine als relevant eingestufte thermografisch detektierbare Fehlstelle beim Basis-Referenzkörper GA vorgesehen.
- In einem weiteren oder alternativen Schritt kann ein Bereitstellen oder ein Herstellen eines oder einer Mehrzahl von Basis-Referenzkörper/n GB vorgesehen sein. Vorzugsweise ist eine aus statistischer Sicht ausreichende Anzahl von Basis-Referenzkörpern vorgesehen. Die Basis-Referenzkörper GB entsprechen vorzugsweise hinsichtlich ihrer räumlichen und strukturellen Ausgestaltung dem zu untersuchenden Prüfkörper oder Probekörper. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest ein vorbestimmter Strukturausschnitt des Basis-Referenzkörpers GB hinsichtlich seiner räumlichen und strukturellen Ausgestaltung einem jeweilig entsprechend vorgesehenen Strukturausschnitt des Prüfkörpers entspricht. Falls der Prüfkörper und/oder der Strukturausschnitt des Prüfkörpers zumindest ein Zusatzelement oder Zusatzelement B aufweist, dann hat vorzugsweise der Basis-Referenzkörper GB ebenfalls das zumindest eine Zusatzelement oder Zusatzelement B in entsprechend räumlicher Anordnung zu enthalten. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass falls der Prüfkörper und/oder der Strukturausschnitt des Prüfkörpers zumindest ein weiteres Zusatzelement einer vorbestimmten Kategorie, insbesondere Zusatzelement A, aufweist, der Basis-Referenzkörper GB ebenfalls das zumindest eine Zusatzelement oder Zusatzelement A in entsprechender räumlicher Anordnung aufweist. Vorzugsweise ist der zumindest eine Strukturausschnitt des Basis-Referenzkörpers GB und/oder der Basis-Referenzkörper bezüglich thermografisch detektierbarer Fehlstellen defektfrei oder als defektfrei zu charakterisieren. Somit sind hierbei keine als relevant eingestuften thermografisch detektierbaren Fehlstellen vorgesehen.
- In einem weiteren Schritt kann ein Erfassen von zumindest einem Phasenbild des Basis-Referenzkörpers GA und/oder GB und/oder des Strukturausschnitts des Basis-Referenzkörpers GA und/oder GB, unter Anwendung zumindest einer oder mehrerer Anregungsfrequenz/en erfolgen, wobei die Lockin-Thermografie eingesetzt wird. Insbesondere können mit unterschiedlichen Anregungsfrequenzen Phasenbilder mit unterschiedlichem Tiefenfokus und unterschiedlichem thermografischen Bildrauschen erzeugt werden.
- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können bei einem Basis-Referenzkörper GB, falls ein, insbesondere flächiges, Zusatzelement B vorgesehen ist, im Phasenbild, insbesondere unter Beachtung des Zusatzelements B, neben einer rein strukturellen Homogenität des Referenzkörpers, thermografisch homogene Zonen ausgebildet sein, innerhalb derer eine homogene Phasenbildgebung erfolgt. Die Zonen werden vorzugsweise über ein Referenzkriterium voneinander abgegrenzt. Die sowohl strukturell als auch thermografisch homogenen Zonen werden als Prüfzonen (Region of Interest - ROI) deklariert und gesondert betrachtet. Auf Basis der Prüfzonen kann ein bestimmter, homogener Grundkörperaufbau definiert werden. Vorzugsweise kann dann über die Prüfzonen die Kalibrierung der Messtechnik der Lockin-Thermografie erfolgen. Alternativ kann bei einem Basis-Referenzkörper GA und/oder GB, der kein, insbesondere flächiges, Zusatzelement B aufweist, die gesamte Oberfläche oder die gesamte Oberfläche des Strukturausschnitts, insbesondere unter Beachtung der strukturellen Homogenität, als Prüfzone definiert werden.
- In einem weiteren Schritt kann vorzugsweise ein Auswerten zumindest eines Phasenbildes des Prüfkörpers, das insbesondere im Bereich der Prüfzone/n aufgenommen ist mit der/den Prüfzone/n des Basis-Referenzkörpers GA und/oder GB verglichen werden. Insbesondere können aus den Prüfzonen des Basis-Referenzkörpers GA und/oder GB Kennzahlen oder Kennwerte oder Parameter ermittelt werden, die mit entsprechenden Kennzahlen oder Parametern des Phasenbilds eines gegebenenfalls defektbehafteten Prüfkörpers verglichen werden. Durch den Vergleich können auf einfache Weise Fehlstellen ermittelt und charakterisiert werden.

Diese Lösung hat insbesondere den Vorteil, dass Prüfzonen definiert und für die thermografische Untersuchung herangezogen werden. Die Prüfzonen sind insbesondere sowohl strukturell als auch thermografisch homogen ausgeprägt und bilden eine vorteilhafte Grundlage, um Phasenbilder im Bereich der Prüfzonen der Basis-Referenzkörper GA und/oder GB mit dem Phasenbild des gegebenenfalls defektbehafteten Prüfkörpers abzugleichen.
Mit anderen Worten wird zunächst die Lockin-Thermografie als Untersuchungsmethode derart weiterentwickelt, dass unerwartete Abweichungen von einem homogenen, ansonsten defektfreien Prüfkörper, in einem Phasenbild automatisiert und nach einem einheitlichen Vorgehen erkannt, charakterisiert und quantifiziert werden können. Hierfür werden zunächst im Rahmen eines Referenzierungsprozesses (Kalibrierung des bestehenden Messverfahrens im Vorfeld des eigentlichen Prüfbeginns) Gutteile hergestellt, die dem zu prüfenden Serienbauteil bezüglich der strukturellen Ausprägung sowie des Fertigungsprozesses gleichen. Die Gutteile besitzen einen Faserverbund-Grundkörper mit optional eingebrachten Elementen der Kategorie B sowie gegebenenfalls zusätzlich eingebrachten Elementen der Kategorie A - beispielsweise in Form von Bohrungen/Zuschnitten und in die entsprechende Materialaussparung oder Bohrung integrierte, insbesondere metallische Inserts. Die thermografische Untersuchung erfolgt sowohl anhand von Prüfköpern mit optional eingebrachten Elementen der Kategorie B als auch anschließend mit zusätzlich eingebrachten Elementen der Kategorie A unter Nutzung der Lockin-Thermografie. Mithilfe fehlerfreier Gutteile soll zunächst die vorhandene Messtechnik hinsichtlich eines Normal- beziehungsweise Referenzzustandes kalibriert werden, d. h. sämtliche hierbei vorhandenen prüfprozessbedingten Schwankungen oder Abweichungen gelten als „tolerabel“. Zu diesen tolerierbaren Abweichungen zählt insbesondere die thermografische Abbildung (periodische Phasenwertfluktuation bei linienbasierter Betrachtung) der Faserverbund-Grundkörperstruktur, die beispielsweise durch die einzelnen Rovings des textilen Grundkörpermaterials (sowie deren Kombination über sämtliche Laminatlagen des Faserverbund-Grundkörpers hinweg) hervorgerufen wird. Die Rovings sind üblicherweise in einem festen Abstand zueinander, wie in einer Art räumlichen Gitter angeordnet, welches üblicherweise durch die Webung der eingesetzten textilen Halbzeuge erzeugt wird oder welches sich üblicherweise an der Webung der eingesetzten textilen Halbzeuge orientiert.
Die Kombination des Faserverbund-Grundkörpers mit flächigen Elementen der Kategorie B führt dazu, dass sich auf der Prüfkörperoberfläche bestimmte Zonen einer, aus thermografischer Sicht homogenen Veränderung der Phasenbildgebung (pixelweise Phasenwertabweichung) ausbildet. Diese Zonen lassen sich mithilfe eines speziellen Referenzkriteriums voneinander abgrenzen und beschreiben gesonderte Zonen eines thermografisch homogenen Faserverbund-Grundkörpers. Ist sowohl die strukturelle (geometrische Strukturausprägung - z. B. Krümmung sowie der Laminataufbau) als auch die thermografische Homogenität einer Zone gegen, so wird die entsprechende Zone als Prüfzone (Region of Interest - ROI) mit einem bestimmten, homogenen Faserverbund-Grundkörperaufbau definiert.
Zwischen einzelnen Prüfzonen existieren Übergangsbereiche, innerhalb derer nach aktuellem Forschungsstand keine eindeutige Anwendung der entwickelten, thermografischen Bildauswertungsmethodik möglich ist. Diese Tatsache wird hingenommen, da sich Fehlstellen innerhalb des FVK-Grundkörpers in der Praxis letztendlich derart ausdehnen, dass sie sich über den jeweiligen Übergangsbereich hinaus, bis in eine benachbarte Prüfzone erstrecken und innerhalb derer erneut methodisch untersucht werden können.
Als weitere Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Kalibrierung der Messtechnik für die Lockin-Thermografie anhand der, insbesondere fehlerfreien, Basis-Referenzkörper GA und/oder GB. Bei der Kalibrierung kann ein Referenzzustand für die Messtechnik ermittelt werden. Es können tolerierbare messtechnik- und/oder prüfprozessbedingte Schwankungen und/oder Abweichungen vom Referenzzustand festgelegt werden.
Als Zusatzelement B kann vorteilhafterweise ein flächiges Element angesehen werden, welches vollständig oder zumindest teilweise unter der Oberfläche des Basis-Referenzkörpers GA und/oder GB oder innerhalb des Basis-Referenzkörpers GA und/oder GB oder dessen Rückseite angeordnet und/oder entsprechend dem Prüfkörper selbst hinzugefügt ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Zusatzelement B oder bei dem Element der Kategorie B um ein flächiges, meist als Verstärkung in den Basis-Referenzkörper GA und/oder GB eingebrachtes Blechelement aus Metall oder um Aufdickungslagen handeln.
Als Zusatzelement A kann beispielsweise ein Element vorgesehen sein, welches dem entsprechenden Basis-Referenzkörper und/oder dem Prüfkörper insbesondere über eine Aussparung hinzugefügt ist, wobei es sich bei der Aussparung beispielsweise um eine Bohrung oder um einen Zuschnitt handelt. Zusatzelemente A oder Elemente der Kategorie A können somit lokal hinzugefügt werden und den entsprechenden Basis-Referenzkörper oder Probekörper durchdringen oder alternativ auf dessen Oberfläche platziert sein. Beispielsweise kann als Zusatzelement A ein, insbesondere metallisches, Verbindungselement, wie ein Insert oder eine Hülse vorgesehen sein. Des Weiteren kann ein Zusatzelement A ein Rand des Prüfkörpers, eine anderweitige Störkontur des Basis-Referenzkörpers und/oder spanend bearbeitete Strukturbereiche sein.
Denkbar ist zudem, einen hybriden Basis-Referenzkörper oder Probekörper vorzusehen, der sowohl Zusatzelemente A als auch Zusatzelemente B aufweisen kann.
Vorzugsweise ist das Verfahren automatisiert, insbesondere durch eine entsprechend ausgebildete Computervorrichtung und/oder Robotertechnik zu realisieren.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Abweichung der Prüfzone/n der Basis-Referenzkörper GA und/oder GB und der Prüfkörper vom thermografisch homogenen Idealzustand als tolerierbar angesehen ist, wenn diese Abweichung auf typische, insbesondere inhärente Materialstrukturen oder Fertigungsbedingungen / -prozesse der Basis-Referenzkörper GA und/oder GB und der Prüfkörper basiert. Beispielsweise kann als tolerierbare Abweichung die, durch einzelne Rovings von Faserverbundbauteilen hervorgerufene, periodische Phasenwertfluktuationen angesehen werden.
Mit Vorteil können, insbesondere durch das Referenzkriterium, ein oder mehrere Übergangsbereich/e zwischen zumindest zwei Prüfzonen ermittelt werden. Dieser oder diese bleiben bei der weiterführenden Auswertung der Phasenbilder unberücksichtigt.
Vorzugsweise kann, falls zumindest ein Zusatzelement A in einer Prüfzone vorhanden ist und eine thermische Einflusszone (TEZ) im Phasenbild aufweist, diese über eine Bildbearbeitung (beispielsweise Bildsubtraktion / Normalisieren) eliminiert werden. Somit kann auf einfache Weise vorgesehen sein, dass die Prüfzonen trotz Zusatzelement A reproduzierbar und sicher untersucht sowie ausgewertet werden können.
Zur Bildbearbeitung sind beispielsweise folgende Schritte ausführbar:

- Aufnehmen der Phasenbilder der Strukturausschnitte der Basis-Referenzkörper GA und/oder der Basis-Referenzkörper GA-, mit Erzeugung oder anschließender Erzeugung eines ersten Offset-Bildes durch, insbesondere pixelweises, Mitteln der Phasenbilder.
- In einem nächsten Schritt kann ein Aufnehmen der Phasenbilder der Strukturaufschnitte der Basis-Referenzkörper GB und/oder der Basis-Referenzkörper GB mit Erzeugung oder anschließender Erzeugung eines zweiten Offset-Bildes durch, insbesondere pixelweises, Mitteln der Phasenbilder erfolgen.
- In einem weiteren Schritt kann dann eine Berechnung eines Abweichungsbildes durch Subtraktion des ersten Offset-Bildes vom zweiten Offset-Bild erfolgen.

Des Weiteren kann dann ein Berechnen eines korrigierten Phasenbildes P_K des Prüfoder Probekörpers durch Subtraktion des Abweichungsbildes vom - insbesondere ursprünglichen - Phasenbild P des Prüf- oder Probekörpers erfolgen, wobei die Auswertung oder weiterführende Auswertung insbesondere nur noch auf Basis des korrigierten Phasenbildes P_K innerhalb der Prüfzone erfolgt. Eine derartige Bilderbearbeitung ist einfach und mit geringem Rechenaufwand umsetzbar.
Mit anderen Worten stellen lokal innerhalb einer Prüfzone eingebrachte Elemente der Kategorie A eine Herausforderung hinsichtlich Fehlstellensichtbarkeit dar, da sie aufgrund ihrer von dem Faserverbund-Grundkörper unterschiedlichen Emissivität, das Phasenbild nicht nur im Bereich ihrer reinen strukturellen Ausdehnung, sondern ebenfalls in einem, das jeweilige Element umgebenden Areal der entsprechenden Prüfzone, beeinflussen (thermische Einflusszone, TEZ). Sämtliche thermische Einflusszonen innerhalb der Prüfzone existierender Elemente der Kategorie A, sind im weiteren Verlauf hinsichtlich der Sicherstellung einer Allgemeingültigkeit der entwickelten Methodik zu berücksichtigen. Dies gelingt im vorliegenden Fall über eine entsprechende Bildverarbeitung, im Rahmen derer prüfzonenspezifische, gemittelte Phasenbilder mit/ohne Elemente der Kategorie A, in geeigneter Form voneinander subtrahiert werden (Normalisieren oder Kartieren: Erstellung und Anwendung einer Abweichungskarte bezüglich der TEZ-bedingten, pixelweise gemessenen Phasenwertabweichung innerhalb der vorliegenden Prüfzone, verglichen mit dem jeweiligen Referenzniveau). Im Fall einer Serienfertigung des zu untersuchenden Prüfkörpers, stehen für die Generierung der erforderlichen thermografischen Prüfdaten eine ausreichende Anzahl entsprechender Gutteile zur Verfügung.
Als eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann dann eine prüfzonenspezifische Untersuchung des Prüf- oder Probekörpers bezüglich fehlstellenbezogener Parameter vorgesehen werden. Insgesamt handelt es sich hierbei um ein linienbasiertes Vorgehen auf Basis thermografischer Phasenbilder von bereitgestellten oder hergestellten Schlecht-Referenzkörpern, innerhalb einer oder eines Teils oder aller Prüfzonen, insbesondere unter Berücksichtigung struktureller Zonen im Materialinneren, ausgehend von der Prüfkörperoberfläche (Sicherheitsumgebung) - sowie anregungsspezifischer Referenzintervalle, wobei folgende Schritte vorgesehen sein können:

- Bereitstellen oder Herstellen zumindest eines oder einer Mehrzahl von Schlecht-Referenzkörper. Dieser entspricht vorzugsweise in seiner strukturellen Ausgestaltung den zu untersuchenden Prüfkörpern. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest ein vorbestimmter Strukturausschnitt des Schlecht-Referenzkörpers einem jeweilig entsprechend vorgesehenen Strukturausschnitt der Prüfkörper entspricht. Weist der Prüfkörper und/oder der Strukturausschnitt des Probekörpers zumindest ein Zusatzelement, insbesondere ein Zusatzelement der Kategorie B auf, so ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Schlecht-Referenzkörper ebenfalls zumindest ein Zusatzelement B oder Zusatzelement der Kategorie B in entsprechender räumlicher Anordnung aufweist. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Strukturausschnitt des Schlecht-Referenzkörpers und/oder der Schlecht-Referenzkörper zumindest eine thermografisch detektierbare Fehlstelle aufweist. Basierend auf der Fehlstelle kann dann eine, insbesondere linienbasierte, Bestimmung fehlstellenbezogener Parameterwerte auf Basis zumindest eines thermografischen Phasenbildes des zumindest einen Schlecht-Referenzkörpers erfolgen.

Durch das Bereitstellen eines Schlecht-Referenzkörpers können vorbekannte Fehlstellen der Probekörper mit einer höheren Sicherheit detektiert und entsprechende fehlstellenbezogene Parameterwerte ermittelt werden.
Nach dem Bereitstellen des Schlecht-Referenzkörpers sind einer oder mehrere der folgenden Schritte durchführbar:

- Detektion des Startpunktes eines Fehler-Übergangsbereichs (Übergang von einer defektfreien in eine defektbehaftete Prüfkörperzone) nach Gleichung 1.5 der untenstehenden Figurenbeschreibung (Inhomogenitätskriterium), unter Nutzung der Breite des zugehörigen Referenzintervalls als Toleranzbereich, entlang einer Fehlerlinie, welche über die thermografisch sichtbare Fehlstellengrenze verläuft.
- Begrenzen der Fehlerlinie auf den reinen Fehlerübergangsbereich an der Fehlstellengrenze hinter dem Startpunkt, in Laufrichtung der Fehlerlinie, durch einen Least Square Fit des k-gemittelten Phasenwertexportes mithilfe eines Polynoms dritter Ordnung, unter sukzessivem Verkürzen oder Verlängern der Fehlerlinie auf beiden Seiten, bis das Polynom gleichzeitig zwei Begrenzungswerte aufweist (hier: sowohl ein Maximum als auch ein Minimum) und die Fehlerlinie hierbei eine möglichst geringe Länge besitzt. Die Fehlerlinienlänge beschreibt nun in angenäherter Form die Ausdehnung des Fehlerübergangsbereichs an der Fehlstellengrenze, siehe auch 8 bis 13.
- Computertomografische Untersuchung der Schlechtteile GAs innerhalb der anregungsfrequenz- und fehlerlinienspezifischen Sicherheitsumgebungen, siehe auch 17: Prüfung auf Fehlstellenebenheit; Prüfung auf Ununterbrochenheit der Fehlstelle; Prüfung, ob polynomialer Grenzwert (hier: Extremum 2) innerhalb defektbehaftetem Bereich des Faserverbund-Grundkörpers, unter Berücksichtigung der maximalen thermischen Eindringtiefe in das Faserverbund-Grundkörpermaterial (Sicherheitsumgebung).
- Insbesondere optional: Durchführung einer mikroskopischen Schliffbilduntersuchung innerhalb der jeweiligen Hauptschnittebene.
- Dokumentation fehlstellenbezogener Parameterwerte durch Auswertung der computertomografischen Bilddaten auf statistischer Basis.
- Berechnung und Dokumentation fehlstellenbezogener Parameterwerte auf Basis thermografischer Bilddaten, unter Korrelation mit computertomografischen Bilddaten. Hinweis: Die geometrischen Abmaße einer Fehlstelle können, ausgehend von der Bildebene der Kamera, bei Bedarf durch Projektion auf die Oberfläche des Prüfkörpers, hinsichtlich ihrer realen Ausprägung auf bzw. innerhalb des Prüfkörpers umgerechnet werden, siehe auch 2 und 21.

Folgende Schritte sind im Rahmen der thermografischen Bildauswertung vorzugsweise durchzuführen:

- Globaler Mittelwert sämtlicher Phasenwerte des Fehlerlinienexportes einer vollständig angepassten Fehlerlinie;
- M_high als Mittelwert aller Phasenwerte der Fehlerlinie oberhalb des globalen Mittelwertes;
- M_low als Mittelwert aller Phasenwerte der Fehlerlinie unterhalb des globalen Mittelwerts;
- Phasenkontrast = M_high- M_low;
- Fehlerkontrast = Phasenkontrast / oberer Grenzwert des zonenspezifischen Referenzintervalls der jeweils betrachteten Prüfzone;
- Wendepunkt des Fit-Polynoms als Zentrum der jeweiligen Prüfzone;
- Berechnen der (durchschnittlichen) Fehlstellensichtbarkeit und der anregungsfrequenzspezifischen Detektionswahrscheinlichkeit, siehe Gleichung 1.17, hinsichtlich einer relevanten Fehlstellenausprägung in einer spezifischen Fehlstellentiefe, für die manuelle Endprüfung, durch festlegen einer persönlichen Sichtbarkeitsgrenze, siehe auch 28, unter Berücksichtigung eines spezifischen Prüf-Setups;
- Insbesondere optional: Abstraktion der Fehlstelle auf Basis der bestehenden, fehlstellenbezogenen Daten, siehe 26 und 27;
- Insbesondere optional: Berechnung / Definition optimaler Endprüfparameter zur Bewältigung der vorliegenden Prüfaufgabe - z. B. Erreichung einer möglichst kurzen Messzeit bei gleichzeitig ausreichender Fehlstellensichtbarkeit und Detektionswahrscheinlichkeit.

Mit anderen Worten kann im Anschluss an den Referenzierungsprozess oder Referenzierungsschritt (Bestimmung des thermografischen Grundrauschens in einem defektfreien Referenzbereich des zu untersuchenden Prüfkörpers (anregungsfrequenzspezifische Referenzintervalle), Angleichen der Fehlstellensichtbarkeiten durch Erstellen und Anwenden einer Abweichungskarte - „Normalisieren“ oder „Kartieren“) die eigentliche, prüfzonenspezifische Untersuchung des Serienbauteils etabliert werden, bei der jede Abweichung über das referenzierte Grundniveau hinaus zunächst als reine Auffälligkeit erfasst wird, von der ohne weitere Informationen zunächst nicht bekannt ist, ob es sich hierbei auch wirklich um eine reale Fehlstelle im Materialinneren handelt. Hierfür müssen geeignete Kenngrößen definiert werden, über die eine detektierte Auffälligkeit mit dem zuvor bestimmten, durchschnittlichen Referenzrauschen (auf statistischer Basis berechneter Toleranzbereich anregungsfrequenzspezifischer Referenzkontrastwerte, zusammengefasst in Form eines so genannten Referenzintervalls) in Beziehung gesetzt wird. Der Fehlerkontrast sollte möglichst hoch ausgeprägt sein, um eine Fehlstelle bestmöglich zu erkennen. Um im Zuge einer Fehlstellensichtbarkeitsprognose konservative Aussagen treffen zu können, wird eine „Worst Case“-Annahme generiert (Fehlerkontrastberechnung unter Annahme eines, aus statistischer Sicht geringen Fehlerkontrastes, unter Nutzung der oberen Referenzintervallgrenze - also eines aus statistischer Sicht stark ausgeprägten, thermografischen Bildrauschens). Der Fehlerkontrast ist insbesondere von der Anregungsfrequenz (Modulationsfrequenz) der Lockin-Thermografie abhängig, über die innerhalb bestimmter Grenzen gesteuert werden kann, in welcher Materialtiefe des Prüfkörpers die Thermografie am empfindlichsten auf Inhomogenitäten (z. B. Fehlstellen) reagiert (der genaue physikalische Zusammenhang lässt sich aus einem Modell bezüglich der Ausbreitung thermischer Wellen und der daraus resultierenden Phasenlage des detektierten Signals ableiten). Da ein Faserverbund-Grundkörper üblicherweise aus mehreren Materialschichten besteht und Fehlstellen wie z. B. Delaminationen meist innerhalb oder zumindest teilweise in einer bestimmten Schichttiefe (Lagentiefe) auftreten, sollte die Modulationsfrequenz derart gewählt werden, dass eine Fehlstelle, die in einer bestimmten Tiefe liegt, ausreichend sicher erkannt wird und insbesondere ein ausreichend hoher Phasenkontrast erzeugt wird. Allerdings ist eine, für eine bestimmte Fehlstellentiefe optimale Frequenz nicht zwangsläufig auf eine andere Fehlstellentiefe, bei gleichzeitig äquivalenter Fehlstellenausprägung, übertragbar (Beachtung insbesondere der so genannten „Blindfrequenz“). Es sind somit Kriterien erforderlich, die besagen, mit welchen Frequenzen gearbeitet und wie viele thermografische Bildaufnahmen somit erstellt werden müssen, um sämtliche zu untersuchende oder potenziell mögliche Fehlstellentiefen mit der jeweils gewünschten Detektionssicherheit, bei vorgegebener, relevanter Fehlstellenausprägung (Fehlstellentyp und -ausdehnung), abzudecken.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass im Zuge des methodischen Vorgehens die hierbei thermografisch gemessenen, fehlstellenbezogenen Parameterwerte, mit der real innerhalb des Prüfkörpers auftretenden Fehlstellenausprägung korreliert werden und insbesondere eine gegebenenfalls komplex ausgeprägte, reale Fehlstelle im Rahmen einer Fehlstellenabstraktion vereinfacht wird, um insbesondere eine statistisch abgesicherte Datengenerierung hinsichtlich fehlstellenbezogener Parameterwerte, im Rahmen eines vollständigen Referenzierungsprozesses, auf Basis realistischer Fehlstellen zu ermöglichen und im Umkehrschluss eine Korrelation bereits generierter Daten mit realistischen Fehlstellen, insbesondere im Zuge eines späteren (Serien-)Prüfprozess, zuzulassen . Auf diese Weise lässt sich auf Basis der erzeugten Daten insbesondere eine Endprüfung bereits im Vorfeld auslegen beziehungsweise planen sowie die Fehlstellensichtbarkeit und letztendlich die Detektionswahrscheinlichkeit einer relevanten Fehlstellenausprägung, innerhalb einer bestimmten Materialtiefe, angeben. Ferner kann auf Basis der generierten Daten eine gut/schlecht-Bewertung des jeweiligen Prüfteils und/oder der jeweils betrachteten Prüfzone erfolgen.
Grundsätzlich ist zu betonen, dass im Rahmen der obenstehend angeführten Vorgehensweise - insbesondere im Zuge des Referenzierungsprozesses - lediglich thermografische Abweichungen von einem entsprechenden Referenzniveau protokolliert werden, jedoch nicht die reale Existenz von Fehlstellen bestätigt bzw. deren reale Ausprägung im Materialinneren dokumentiert wird. Aus diesem Grund erfolgt - insbesondere im Rahmen der Generierung von Referenzierungsdaten - vorzugsweise die Ermittlung weiterer, realer Fehlstellencharakteristika, mithilfe eines von der Thermografie unabhängigen Prüfverfahrens, welches eine direkte Fehlstelleninspektion ermöglicht. Im vorliegenden Fall wird zu diesem Zweck die Computertomografie eingesetzt (alternativ sind auch weitere Messverfahren, wie beispielsweise die mikroskopische Schliffbilduntersuchung denkbar, sofern technisch machbar). Die Informationen aus der Thermografie und Computertomografie werden im Rahmen einer Abstraktion der relevanten Fehlstellenausprägung verarbeitet, kombiniert in einer Wissensbasis gespeichert und auf Basis einer, aus statistischer Sicht ausreichenden Anzahl an Einzeldaten, bei Bedarf erneut bereitgestellt.
Die Lockin-Thermografie alleine oder als alleiniges Prüfverfahren würde möglicherweise nicht die erforderliche Informationstiefe liefern. Entsprechend werden die nötigen Zusatzinformationen dadurch gewonnen, dass Prüfkörper mit definiert eingebrachten Fehlstellen in relevanter Fehlstellenausprägung hergestellt oder bereits im Zuge des Bauteileinsatzes geschädigte Komponenten für die thermografische sowie computertomografische Datengenerierung genutzt werden. Definiert fehlerbehaftete Prüfkörper werden durch die zu prüfenden Komponenten selbst repräsentiert oder besitzen eine vergleichbare strukturelle Ausprägung, wie die an der Gesamtkomponente zu prüfenden Strukturareale. Besonderes Augenmerk liegt in diesem Zusammenhang auf den, im Komponenteneinsatz besonders stark beanspruchten Strukturzonen sowie auf Bereichen, innerhalb derer im Rahmen der Produktion vornehmlich herstellungsbedingte Fehler auftreten oder die zu einem Versagen von Rückläufern aus dem Feld geführt haben. Definiert einzubringende Fehlstellen beschreiben oder besitzen die relevante/gesuchte Fehlstellenausdehnung, sind in den zu untersuchenden Schichtebenen des Faserverbund-Grundkörpers eingebracht und besitzen zudem unterschiedliche Orientierungen der Fehlstellengrenze. Reale Fehlstellen sind anhand analoger Kriterien zu berücksichtigen, wobei hierbei eine vorangehende, computertomografische Untersuchung der zu prüfenden Komponenten empfohlen wird, um bereits im Vorfeld der thermografischen Bildaufnahme entsprechende Fehlstellenausprägungen und Fehlstellentiefen zu spezifizieren.
Um eine Korrelation fehlstellenbezogener Parameter, ermittelt durch die Lockin-Thermografie, mit der realen Lage der jeweiligen Fehlerstelle innerhalb des Schlechtteils durchzuführen, wird die computertomografisch, schnittebenenbasiert ermittelte Fehlstellenausprägung, unter Berücksichtigung der computertomografisch generierten Tiefeninformation, mit den thermografisch, linienbasiert ermittelten Parameterwerten, im Rahmen einer senkrechten Projektion korreliert, was - insbesondere letztendlich - in einer scheibenförmigen Abstraktion einer relevanten Fehlstellenausprägung resultiert, siehe auch 17 und 18 sowie 25 bis 27. Die Computertomografie vermisst die reale Fehlstellentiefe, die Fehlstellenebenheit sowie die Fehlstellenausdehnung. Es werden lediglich ebene Fehlstellen berücksichtigt (Kriterium der Fehlstellenebenheit oder Ebenheit siehe 17). Durch die Korrelation der computertomografischen Untersuchungsergebnisse mit den thermografischen Bilddaten und den ermittelten Parameterwerten, lassen sich die verbleibenden, fehlstellenbezogenen Parameter bestimmen - siehe hierzu ebenfalls 17. Die letztendliche Fehlstellenabstraktion resultiert in einer Annäherung der Fehlstelle als Scheibe. Hierzu gelten die in 17 und 18 dargestellten Zusammenhänge, um zunächst linienbasiert, auf thermografischer Basis die erforderlichen, fehlstellenbezogenen Parameterwerte zu bestimmen und letztendlich die Abstraktion, unter Berücksichtigung der jeweils gewählten Fehlerlinienorientierung, zu erreichen.
Die Tatsache, dass eine sukzessive Vergrößerung der Fehlstellenausdehnung ab einem gewissen Punkt (kritische Fehlstellenausdehnung) nicht mehr zu einer Veränderung der Kontrastgenerierung am Fehlstellenübergang führt (Plateau-Bildung im Phasenverlauf, siehe 22), ermöglicht letztendlich die Abstraktion einer beliebig weit ausgedehnten Fehlstelle auf ein reduziertes, reproduzierbares Niveau, bei gleichzeitiger Reduktion der Datenmenge.
Allgemein erfolgt die Ermittlung charakteristischer, fehlstellenbezogener Parameter unter Variation der Lockin-Modulationsfrequenz. Durch Speicherung und Bereitstellung der hierbei generierten Daten, sind statistisch abgesicherte Aussagen sowohl bezüglich einer optimalen Fehlstellensichtbarkeit als auch einer ausreichenden Fehlstellensichtbarkeit, optional bei gleichzeitig möglichst kurzer Messzeit, möglich. Des Weiteren kann eine Detektionswahrscheinlichkeit unter Berücksichtigung oder Annahme einer prüfpersonspezifischen, minimalen Fehlstellensichtbarkeitsgrenze angegeben werden - siehe hierzu auch 28. Übergeordnetes Ergebnis ist eine statistisch abgesicherte Datengenerierung (Referenzierungsprozess, siehe 24 und 25), auf Basis derer die erforderliche Modulationsfrequenz für eine Endprüfung bei entsprechender Fehlstellensichtbarkeit und Detektionswahrscheinlichkeit, bezüglich einer relevanten Fehlstellenausprägung in einer bestimmten Fehlstellentiefe und mit einer konkreten Fehlstellenausdehnung sowie unterschiedlichen oder bei spezifischen Orientierungen der Fehlstellengrenze bestimmbar ist. Auf diese Weise lassen sich Aussagen dahingehend treffen, wie viele thermografische Bildaufnahmen bei welcher Anregungsfrequenz erforderlich sind, um eine relevante Fehlstellenausprägung in sämtlichen zu prüfenden Materialtiefen sowie den aufgrund der strukturellen Beschaffenheit der Prüfzone möglichen Fehlstellenorientierungen zuverlässig und optional in möglichst kurzer Messzeit zu detektieren (siehe auch 26 bis 29a sowie 29b). Ferner können die generierten Daten für die Bewertung von Gut-/Schlechtteilen herangezogen werden, da eine statistisch abgesicherte Korrelation zwischen der thermografischen sowie der real innerhalb des Prüfkörpers auftretenden Fehlstellenausprägung vorliegt. Zusätzlich lassen sich Aussagen hinsichtlich der technischen Machbarkeit einer bestimmten Prüfaufgabe mithilfe eines beabsichtigten Prüfequipments sowie einer zudem beabsichtigten Prüfkonfiguration treffen. Die grundsätzliche Gestaltung des Referenzierungsprozesses als Ringversuch (standardisiert nach DIN 5725, siehe 7) und der hiermit verbundenen Berücksichtigung unterschiedlicher, voneinander unabhängiger Fertigungs- und Prüfprozesse, lässt schließlich, durch die zusätzlich dokumentierte Datenvariation über mehrere Fertigungs- und Prüfstationen hinweg, allgemeingültige, fertigungs- und prüfstationsübergreifende oder auch alternativ fertigungs- und prüfstationsspezifische Aussagen auf statistischer Basis, unter Nutzung der generierten Daten zu (wissensbasierter Ansatz, Big Data).
Eine zusätzliche Ausführungsvariante des Referenzierungsprozesses zeigt auf, wie sich die Qualitätssicherung im Rahmen der Serienfertigung von optional hybrid ausgeprägten oder hybriden Faserverbundbauteilen auf mehrere Produktions- und Prüfstandorte erweitern lässt, indem ein Ringversuch und insbesondere die generierten Daten (Referenzintervalle) aus diesem Ringversuch als Hilfsmittel eingesetzt werden. Sollen die in einer Wissensbasis gespeicherten Daten zur Qualitätssicherung eines Serienbauteils eingesetzt werden, so erfolgt zunächst die Festlegung des zu prüfenden Bauteilbereichs sowie der relevanten Fehlstellenausprägung. Anschließend wird ein Abgleich der an der für den Serienprüfprozess vorgesehenen Prüfstation vorliegenden Referenzkontrastgebung der zu prüfenden Zone, mit den in der Wissensbasis vorhandenen Daten durchgeführt (Bestätigung der Referenzintervalle). Hierfür wird eine aus statistischer Sicht ausreichend große Charge an Gutteilen GA der jeweiligen Fertigungsstation des Serienproduktionsprozesses, durch Anwendung der obenstehend geschilderten Vorgehensweise, unter Berücksichtigung einer ebenfalls aus statistischer Sicht ausreichenden Anzahl Referenzkontrasteinzelwerte je Prüfkörper (gleichbleibende Anzahl an Referenzkontrasteinzelwerten je Prüfkörper), mithilfe der Lockin-Thermografie untersucht. Liegt ein ausreichend hoher Prozentsatz der generierten Referenzkontrastwerte innerhalb der bereits in der Wissensbasis bestehenden Referenzintervalle, so ist sowohl der Fertigungs- als auch der beabsichtigte Prüfprozess mit dem bereits bestehenden Parametersatz kompatibel und ein entsprechender Prüfprozess unter Anwendung des Parametersatzes möglich. Auf diese Weise lässt sich ferner die Fähigkeit und Beherrschtheit des Fertigungsprozesses charakterisieren und mit weiteren Unternehmen bzw. Fertigungs- und Prüfstationen, deren Prüfdaten bereits in der Wissensbasis enthalten sind, vergleichen. Liegt ein Fertigungs- oder Prüfprozess nicht im geforderten Toleranzfeld, kann das Unternehmen eine eigene vollständige Referenzierung (Vorgehen nach den obenstehenden Ausführungen - ohne Anwendung eines Ringversuches) durchlaufen und auf Basis der hierbei generierten Daten (insbesondere unternehmensspezifische Referenzintervalle und eine aus statistischer Sicht ausreichende Anzahl fehlstellenbezogener Parameterwerte der relevanten Fehlstellenausprägung) einen insbesondere unternehmensspezifischen Serienprüfprozess etablieren. Die generierten Daten können ferner den bereits in der Wissensbasis gespeicherten Parameterwerten hinzugefügt und auf diese Weise in die fertigungs- und prüfungsstationsübergreifende Gesamtbetrachtung mit aufgenommen werden (kontinuierliche Erweiterung der Wissensbasis). Des Weiteren besteht die Möglichkeit sowohl die Gutteile als auch defektbehafteten Prüfkörper erneut in den Ringversuch einzusteuern, um aufbauend auf den oder auf Basis des betrachteten Serienproduktionsprozesses der fokussierten Fertigungsstation, - insbesondere weitere - statistisch abgesicherte, prüfstationsübergreifende Datensätze zu erzeugen.
Die Nutzung bereits in der Wissensbasis enthaltener Daten setzt voraus, dass die den Datensatz nutzende Prüfstation mit einer identischen Prüfanlage ausgestattet wird, wie sie bereits in der Wissensbasis dokumentiert ist. Liegen innerhalb der zu prüfenden Zone des Serienbauteils Elemente der Kategorie A vor, so muss dem Bestätigungssowie dem anschließenden Prüfprozess das Generieren und Anwenden einer Abweichungskarte der betrachteten Prüfzone nach den obenstehenden Ausführungen erfolgen und somit im Vorfeld der Etablierung eines Qualitätssicherungsprozesses die Herstellung und thermografische Untersuchung jeweils einer entsprechenden Charge Gutteile GB und GA, entsprechend der Ausprägung der zu betrachtenden Prüfzone, berücksichtigt werden.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch ein Diagramm zur Bestimmung eines Strukturparameters k auf Basis der lagenspezifischen, charakteristischen Phasenwertkonstellation beziehungsweise -oszillation an einer Oberfläche des Prüfkörpers,
2 in einer schematischen Darstellung die Bestimmung eines projektionsbasierten k-Wertes k_i*,
3 in einer schematischen Darstellung die Anwendung eines Referenzkriteriums auf jeweils eine Referenzlinie innerhalb des thermischen Einflusses unterschiedlicher Fehlstellen und strukturbedingter Inhomogenitäten,
4 in einer schematischen Darstellung die Anwendung des Referenzkriteriums auf eine Referenzlinie des in 1 gezeigten Szenarios bei einer Anregungsfrequenz von 0,01 Hz,
5 in einer schematischen Darstellung eine Abgrenzung thermografisch homogener Zonen auf der Oberfläche eines ebenen Basis-Referenzkörpers unter Anwendung des Referenzkriteriums,
6 in einer schematischen Darstellung die Ermittlung eines Referenzkontrastes auf Basis einer Referenzlinie durch entsprechende Mittelwert- und Differenzbildung,
7 in einer schematischen Darstellung einen Ringversuch zur statistisch abgesicherten Ermittlung anregungssequenzspezifischer Referenzintervalle,
8 in einer schematischen Darstellung die Anordnung von Fehlerlinien innerhalb der thermischen Einflusszone eines metallischen Elements der Kategorie A in Form einer Buchse, wobei diese in einen Basis-Referenzkörper eingeklebt ist, welcher eine ebene Oberfläche aufweist und eine künstliche eingebrachte Fehlstelle besitzt - in diesem Fall in Form einer Delamination,
9 in einer schematischen Darstellung den Export von Phasenwerten entlang von exemplarischen Fehlerlinien auf Basis des in 8 dargestellten Szenarios,
10 in einer schematischen Darstellung die Überprüfung der Existenz eines fehlstellenbezogenen Übergangsbereichs beziehungsweise einer thermografischen Inhomogenität am Beispiel von Fehlerlinie 3 aus 8 und 9,
11 in einer schematischen Darstellung eine erste Anpassung der Fehlerlinienausdehnung auf Basis eines Polynoms dritter Ordnung, wobei Fehlerlinie 3 aus 8 und 9 herangezogen wird,
12 in einer schematischen Darstellung einen endgültig angepassten Betrachtungsbereich auf Basis eines Polynoms dritter Ordnung, wobei Fehlerlinie 3 aus 8 und 9 herangezogen wird,
13 in einer schematischen Darstellung die Bestimmung eines Phasenkontrastes PK auf Basis von Fehlerlinien unter Mittelwertbildung und Subtraktion, wobei hierbei Fehlerlinie 3 aus 8 und 9 betrachtet wird,
14 in einer schematischen Darstellung eine kumulierte Darstellung von Fehlerkontrastwerten bei variierenden Anregungsfrequenzen,
15 in einer schematischen Darstellung das Trainieren oder Ableiten und das Anwenden einer Abweichungskarte - beispielhaft auf Basis eines quaderförmigen Metallelementes („Normalisieren oder Kartieren“),
16 in einer schematischen Darstellung die Anwendung einer Abweichungskarte zur Erreichung einer vergleichbaren Fehlstellensichtbarkeit innerhalb einer TEZ,
17 in einer schematischen Darstellung die grundlegende Korrelation thermografischer und realer, fehlstellenbezogener Parameter im Rahmen der Fehlstellenabstraktion, unter Beachtung der diffusen Wärmeausbreitung im Materialinneren, ausgehend von jedem Punkt der Prüfkörperoberfläche, welcher von einer Fehlerlinie überdeckt wird, bis zu einer maximalen, thermischen Eindringtiefe in den Prüfkörper (Sicherheitsumgebung), wobei eine Unterscheidung zwischen thermografischer und realer Fehlstellenbreite erfolgt. Die Darstellung zeigt die jeweilige Hauptschnittebene.
18 in einer schematischen Darstellung, insbesondere in einer Aufsicht, den ersten Schritt der Abstraktion einer thermografischen sowie einer zugehörigen, realen Fehlstelle, unter Berücksichtigung der jeweiligen Fehlstellenbreite und -orientierung,
im Zuge einer linienbasierten Betrachtung,
19 in einer schematischen Darstellung eine minimale Anzahl erforderlicher Phasenwerte zur Erzeugung eines Polynoms dritter Ordnung in der jeweiligen Fehlerlinienlaufrichtung, wobei eine Abbildung der thermografischen Inhomogenität lediglich auf einem Pixel erfolgt,
20 in einer schematischen Darstellung eine minimale Anzahl erforderlicher Phasenwerte einer, in ihrer Länge vollständig angepassten Fehlerlinie, wobei die Abbildung der thermografischen Inhomogenität auf drei Pixel vorgesehen ist,
21 in einer schematischen Darstellung die Projektion einer thermografischen Fehlstellenbreite auf das Sichtfeld der Thermografiekamera, unter einem Detektionswinkel δ_det, wobei eine Sicherstellung der minimalen erforderlichen Auflösung der thermografischen Fehlstellenbreite bei einer exemplarischen, thermografischen Fehlstellorientierung φ_F,herm auf der Oberfläche eines gekrümmten Basis-Referenzkörpers erfolgt,
22 in einer schematischen Darstellung des thermografischen Phasenbildes einer keilförmigen Delamination sowie exportierte Phasenwertverläufe entlang unterschiedlicher Fehlerlinien 1 bis 10,
23 in einer schematischen Darstellung des thermografischen Phasenbildes sowie resultierende Phasenwertverläufe auf Basis von Fehlstellen in unterschiedlicher Orientierung (0°, ±45°, 90°), in einer Lagentiefe von 1-2,
24 in einer schematischen Darstellung die Prozesskette an einer Prüfstation, im Zuge der Ermittlung anregungsfrequenzspezifischer Referenzintervalle bezüglich einer spezifischen, strukturellen Ausprägung eines betrachteten Basis-Referenzkörpers, bei Durchführung eines Ringversuches sowie unter Annahme vorbekannter k-Werte,
25 in einer schematischen Darstellung den schrittweisen Referenzierungsprozess zur Dokumentation fehlstellenbezogener Parameterwerte, anhand eines defektbehafteten Prüfkörpers, an einer Prüfstation sowie bezüglich einer spezifischen Anregungsfrequenz,
26 in einer schematischen Darstellung den Ausschluss unterschiedlicher Fehlstellenorientierungen im Fall einer Überlagerung der halben, thermografischen Fehlstellenbreite, mit einer Störkontur,
27 in einer schematischen Darstellung eine exemplarische Ergänzung abstrahierter Fehlstellenpositionen, auf Basis des ROI-Zentrums C₃ nach 26, wobei zusätzliche Ergänzungen möglicher, thermografischer Fehlstellenorientierungen bezüglich einer exemplarischen Fehlstellenposition Fabstrahiert.2 vorgesehen sind,
28 in einer schematischen Darstellung die Bestimmung einer anregungsfrequenzspezifischen Detektionswahrscheinlichkeit (POD) bezüglich einer spezifischen Fehlstellenausprägung (hier: Delaminationen), in einer bestimmten Lagentiefe (hier: 2-3), bei gleichzeitig konstanter (thermografischer) Fehlstellenorientierung und Fehlstellenbreite, unter Berücksichtigung einer personalisierten Sichtbarkeitsgrenze,
29a und 29b in schematischer Darstellung den schrittweisen Prozess hinsichtlich der Bereitstellung und Anwendung eines thermografischen Prüfparametersatzes, auf Basis bereits bestehender Referenzierungsdaten.

Darstellung der Lösung
Die im Folgenden beschriebene Lösung fokussiert flächig ausgeprägte Fehlstellen wie Delaminationen, Fremdkörpereinschlüsse oder Poren.
Die thermografische Fehlstellensichtbarkeit beziehungsweise der thermografische Fehlerkontrast (SNR) wird in Anlehnung an Maldague (1993, S. 123- Maldague, X. P.: Nondestructive evaluation of materials by infrared thermography. London: Springer 1993. ISBN: 3-540-19769-9), Balageas et al. (2010, S. 2 - Balageas, D. L.; Chapuis, B.; Deban, G.; Passilly, F.: Quantitative assessment of the improvement of the detection of defects by pulse thermography thanks to the TSR approach in the case of a smart composite repair patch. 10th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography. Quebec / Canada, 27. - 30. Juli 2010) und Balageas et al. (2015, S. 4 - Balageas, D. L.; Roche, J.-M.; Leroy, F.-H.: Quantitative assessment of defect characterization using TSR coefficient images. QIRT 2015. Mahabalipuram (Indien): 2015) nach Jelinek et al. (2015a, S. 213 - Jelinek, M.; Seidel, C.; Reinhart, G.: Thermographic Inspection of CFRP Metal Hybrid Components. CIRPe 2015 - Understanding the life cycle implications of manufacturing. Cranfield (UK): Elsevier 2015) definiert als $S N R = \frac{| M_{h i g h} - \bar{M_{d}} | + | M_{l o w} - \bar{M_{d}} |}{| M_{h i g h, R e f} - \bar{M_{R e f}} | + | M_{l o w, R e f} - \bar{M_{R e f}} |},$
wobei M_high und M_low die gemittelten, im Thermogramm entlang einer Auswertelinie (Fehlerlinie) pixelweise gemessenen Phasen(winkel)werte in einem defektbehafteten Bereich der Prüfzone darstellen und zur Generierung eines sogenannten Phasenkontrastes dienen. M_high,Ref und M_low,Ref charakterisieren gemittelte, pixelweise entlang einer Auswertelinie (Referenzlinie) gemessene Phasenwerte in einem defektfreien Bereich der Prüfzone und führen im Rahmen der weiteren Auswertung zu einem sogenannten Referenzkontrast. M_d beschreibt den globalen Mittelwert der Phasenwerte innerhalb eines Übergangsbereiches von einem defektbehafteten in einen defektfreien Bereich der Prüfzone, während M_Ref den globalen Mittelwert der Phasenwerte innerhalb eines defektfreien Bereiches des FVK-Grundkörpers darstellt (Jelinek et al. 2015a, S. 213 - Jelinek, M.; Seidel, C.; Reinhart, G.: Thermographic Inspection of CFRP Metal Hybrid Components. CIRPe 2015 - Understanding the life cycle implications of manufacturing. Cranfield (UK): Elsevier 2015).
Abgrenzung strukturell sowie thermografisch homogener Zonen eines hybrid ausgeprägten Prüfkörpers
Im Vorfeld einer thermografischen Fehlstellendetektion ist eine Untergliederung des zu untersuchenden Prüfkörpers hinsichtlich strukturell und zudem thermografisch homogener Bereiche erforderlich. Auf diese Weise wird eine strukturspezifische Übertragbarkeit der gewonnenen Informationen und generierten Daten ermöglicht.
Die strukturelle Homogenität sei als eine kontinuierliche Strukturausprägung des FVK-Grundkörpers (keine Dickenvariationen, keine Variation des Lagenaufbaus, keine Inserts, konstante Basisgeometrie) über die gesamte Ausdehnung eines begrenzt betrachteten Bereichs (Sicherheitsumgebung) hinweg definiert. Die Sicherheitsumgebung besitzt eine sphärische Ausdehnung, ausgehend von der Prüfkörperoberfläche in das Strukturinnere, startend von jedem Pixel der jeweils betrachteten Auswertelinie auf dem Phasenbild. Die Ausdehnung wird durch die, aufgrund der genutzten Anregungsfrequenz und des vorliegenden FVK-Grundkörpermaterials maximal mögliche, im Fall eines schichtweisen Materialmixes sukzessive aufsummierte thermische Eindringtiefe beschrieben.
Der Begriff der thermografischen Homogenität charakterisiert einen begrenzt betrachteten Bereich eines Phasenbildes der Prüfkörperoberfläche (im einfachsten Fall entlang einer Auswertelinie), dessen Phasenwerte sich innerhalb eines vordefinierten Toleranzfeldes befinden und dadurch oder entsprechend zu einer homogenen Phasenbildgebung führen.
Die unterschiedlichen thermografischen Verhaltensweisen hybrider Verbindungs- und Verstärkungselemente im Rahmen der thermografischen Phasenbildgebung lassen eine grundlegende Kategorisierung zu. In diesem Zusammenhang ist zwischen auf der Detektionsoberfläche positionierten beziehungsweise den FVK-Grundkörper vollständig durchdringenden Elementen (Kategorie A) und Elementen innerhalb beziehungsweise unterhalb des FVK-Grundkörpers (Kategorie B) zu unterscheiden.
Eine Prüfzone (englisch: region of interest, ROI) wird als begrenzt betrachteter Bereich eines Prüfkörpers definiert, dessen FVK-Grundkörper sowohl eine strukturelle als auch thermografische Homogenität aufweist. Innerhalb einer Prüfzone können sich zusätzliche in den FVK-Grundkörper eingebrachte Elemente der Kategorie A sowie optionale Randzonen (z. B. Bohrungen, Prüfkörperränder) befinden. Optionale Elemente der Kategorie B werden dem FVK-Grundkörper als gesonderte Laminatlage zugeordnet.
Um eine Abgrenzung thermografisch homogener Prüfkörperbereiche zu ermöglichen, ist zunächst die Bestimmung des oben genannten Toleranzfeldes erforderlich, das auf dem thermografischen Bildrauschen der jeweils betrachteten, strukturell homogenen Zone des Prüfkörpers basiert. Bei entsprechender Wahl der Anregungsfrequenz wird das Bildrauschen von der thermografisch an der Prüfkörperoberfläche sichtbaren Strukturierung des FVK-Grundkörpermaterials dominiert, die beispielsweise durch die Webung der innerhalb des FVK-Grundkörpers eingesetzten textilen Halbzeuge oder durch unterhalb einer FVK-Deckschicht liegende Schaum- oder Wabenstrukturen hervorgerufen wird. Die hieraus resultierende Phasenwertoszillation ist von der gewählten Anregungsfrequenz und der hierdurch erreichten Eindringtiefe in das FVK-Grundkörpermaterial abhängig.
Um die Oszillationscharakteristik zu quantifizieren, wird ein Strukturparameter k eingeführt, der die anregungsfrequenzspezifische Oszillationsperiode der Phasenwerte, entlang von Referenzlinien mit einer bestimmten Linienorientierung (Laufrichtung) φ_lin, in einem thermografisch homogenen Referenzbereich beschreibt. Die Berechnung des Strukturparameters k erfolgt durch Bestimmung des Mittelwertes $\bar{P L}$
mit anschließender Addition der 1,96-fachen Standardabweichung σ der einzelnen Periodenlängen PL. Specht et al. (2012, S. 204 - Specht, K.; Bulander, R.; Gohout, W.: Statistik für Wissenschaft und Technik. München: Oldenburg-Verlag 2012) gibt den Faktor 1,96 tabelliert an, der zu einem statistischen Vertrauensbereich (±1,96 · σ) um einen Mittelwert mit einer Trefferwahrscheinlichkeit von 95 Prozent führt. Die Nutzung der oberen Grenze dieses Vertrauensbereiches stellt sicher, dass lediglich mit einer Wahrscheinlichkeit von maximal 2,5 Prozent eine Periodenlänge den ermittelten Wert k überschreitet. Gleichung 1.2 beschreibt den entsprechenden Zusammenhang. $k = \bar{P L} + 1,96 \cdot σ (a u f g e r u n d e t a u f g a n z e P i x e l)$
Unter Berücksichtigung von Schmitt & Pfeifer (2010, S. 600 - Schmitt, R.; Pfeifer, T.: Qualitätsmanagement. Strategien - Methoden - Techniken. 4. Auflage. München Wien: Carl Hanser 2010) sind aus statistischer Sicht zur Ermittlung von k je Pixelposition mindestens 20 Einzelwerte PL erforderlich. Jeder Einzelwert wird auf einem gesonderten Referenzprüfkörper ermittelt, wobei sämtliche Prüfkörper eine äquivalente Strukturausprägung besitzen. Ist keine Phasenwertoszillation detektierbar (z. B. Untersuchung von Vollmaterial oder UD-Material, insbesondere ist UD = unidirektional), wird ein Minimalwert für k zu fünf Pixel angenommen.
1 zeigt exemplarisch die Phasenwertoszillation entlang einer Referenzlinie, die in einen Orientierungswinkel φ_lin auf dem Thermogramm angeordnet ist. Es wird der Ausschnitt einer ebenen CFK-Struktur (Prepreg-Laminat, acht Lagen) bei einer Anregungsfrequenz von 0,005 Hz abgebildet.
Im Fall einer gekrümmten FVK-Grundkörperstruktur kann k projektionsbasiert berechnet werden. Mit zunehmendem Abstand von der Projektionslinie der Krümmungsachse auf das Sichtfeld (englisch: field of view, FOV) der Thermografiekamera, reduziert sich k sukzessive. Ist k auf Basis eines ungekrümmten FVK-Grundkörpers bereits bekannt, lässt sich der projektionsbasierte k-Wert k_i* an der jeweiligen Pixelposition i aus dem gleitenden Mittelwert, basierend auf k_i Einzelwerte, in Laufrichtung der betrachteten Referenzlinie errechnen (Gleichung 1.3). k_i entspricht der Pixelanzahl, die sich durch die Projektion eines strukturinhärenten Rasters mit der Rasterbreite k, auf das FOV der Thermografiekamera ergibt. $k_{i}^{*} = \frac{1}{k_{i}} \sum_{j = 1}^{k_{i}} k_{j} (g e r u n d e t a u f g a n z e P i x e l)$
2 zeigt die entsprechende Vorgehensweise. Die mit einem „X“ markierten Pixelpositionen dürfen von einer Auswertelinie nicht überdeckt werden, da nicht genügend Werte für eine Bildung des gleitenden Mittelwertes aus mindestens fünf Einzelwerten zur Verfügung stehen.
Ist für einen bestimmten Detektionsabstand der entsprechende k-Wert bekannt und größer als fünf Pixel ausgeprägt, so lassen sich sämtliche weiteren k-Werte bei äquivalenter Laufrichtung der Auswertelinie und gleicher Anregungsfrequenz auf weitere Detektionsabstände umrechnen. Hierbei gilt die Vorgabe, dass hinsichtlich der Positionierung sowohl des Detektionssystems als auch der Anregungsquelle(n) stets ein maximaler Abstand von zwei Metern bis zum ROI-Zentrum einzuhalten ist, um atmosphärische Störungen vernachlässigen zu können (Kochan 2011, S. 52 - Kochan, A.: Untersuchung zur zerstörungsfreien Prüfung von CFK-Bauteilen für die fertigungsbegleitende Qualitätssicherung im Automobilbau. Dissertation. Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden. Dresden: 2011). Ist k kleiner gleich fünf Pixel ausgeprägt, so ist k für jeden geringeren Detektionsabstand, als der aktuell vorliegende, neu zu bestimmen, bis ein k-Wert größer als der Minimalwert von fünf Pixel erkannt wurde und damit ein Umrechnen auf weitere Detektionsabstände möglich ist.
Unter der Voraussetzung einer strukturellen Homogenität des FVK-Grundkörpers, sind Referenzlinien vollständig innerhalb einer thermografisch homogenen Zone des betrachteten FVK-Grundkörperbereiches zu positionieren. Grund hierfür ist, dass durch natürlich auftretende, material- oder fertigungsbedingte Inhomogenitäten des FVK-Grundkörpers sowie gegebenenfalls vorhandene, strukturbedingte Störkonturen (z. B. Verbindungs- oder Verstärkungselemente, Prüfkörperrand etc.) ab einer bestimmten Pixelposition der Referenzlinie, das durchschnittliche Phasenwertniveau (gleitender Mittelwert aus k Einzelphasenwerten) nicht mehr mit dem am Linienbeginn vorherrschenden Wertebereich übereinstimmt. Somit würde der entsprechende Phasenwertexport eine thermografische Inhomogenität und damit nicht mehr das reine Bildrauschen beziehungsweise die reguläre, materialbedingte Phasenwertoszillation erfassen.
Diese Tatsache macht die Einführung eines sogenannten Referenzkriteriums erforderlich, welches für eine spezifische Anregungsfrequenz die maximale potenziell mögliche Referenzlinienausdehnung (hier: n Pixel) je Pixelposition und Linienorientierung begrenzt. Das Referenzkriterium besagt, dass sich der gleitende Mittelwert der Phasenwerte P_i aus k aufeinanderfolgenden Einzelwerten entlang einer Referenzlinie stets innerhalb eines bestimmten Toleranzbereiches befinden muss. Dieser Toleranzbereich wird durch den kontinuierlich gebildeten, sowohl in positiver als auch in negativer Richtung angetragenen, durchschnittlichen Abstand der Einzelphasenwerte P_i von einem ebenfalls kontinuierlich gebildeten Phasenmittelwert beschrieben (siehe Gleichung 1.4). Der Ausdruck „kontinuierlich gebildet“ besagt hierbei, dass stets alle Einzelphasenwerte im Rahmen der Abstands- und Mittelwertgenerierung an einer bestimmten Pixelposition der Referenzlinie berücksichtigt werden, welche sich ausgehend von der ersten Pixelposition der Referenzlinie bis hin zu der aktuell betrachteten Pixelposition befinden. $\frac{1}{k} \sum_{i = 1 + m}^{k + m} P_{i} \in \underset{()}{\underset{︸}{[\begin{matrix} \frac{1}{k + m} \sum_{i = 1}^{k + m} P_{i} + \frac{1}{k + m} \sum_{i = 1}^{k + m} \overset{()}{\overset{︷}{| P_{i} - \frac{1}{k + m} \sum_{j = 1}^{k + m} P_{j} |,}} \\ \frac{1}{k + m} \sum_{i = 1}^{k + m} P_{i} + \frac{1}{k + m} \sum_{i = 1}^{k + m} | P_{i} - \frac{1}{k + m} \sum_{j = 1}^{k + m} P_{j} | \end{matrix}]}} m i t m = 0,1,2,..., n$
Um eine Bildung des gleitenden Mittelwertes aus k Einzelphasenwerten zu ermöglichen, sind im Rahmen der Anwendung des Referenzkriteriums n + k Phasenwerte zu berücksichtigen. Des Weiteren gilt die Anforderung, dass mindestens n = 3 · k Pixel im Fall einer ebenen Struktur des FVK-Grundkörpers, beziehungsweise n = 3 · k_max Pixel im Fall einer gekrümmten Struktur des FVK-Grundkörpers (siehe 2) von der Referenzlinie überdeckt werden, um sicherzustellen, dass die materialbedingte Phasenwertoszillation vollständig erfasst wird.
Die Phasenwerte an den Pixelpositionen 1 bis k einer Auswertelinie dienen als Trainingswerte für die Bestimmung des Toleranzbereichs, der durch das Referenzkriterium beschrieben wird. Somit sind insgesamt mindestens 4 · k Pixel (ebener FVK-Grundkörper) beziehungsweise 4 · k_max Pixel (gekrümmter FVK-Grundkörper) in Laufrichtung der jeweiligen Referenzlinie, unter Erfüllung des Referenzkriteriums, zu berücksichtigen.
Graphisch betrachtet wird im Rahmen der Überprüfung des Referenzkriteriums der Verlauf des gleitenden Mittelwertes um k Pixel nach rechts verschoben. Die potenziell mögliche Ausdehnung einer Referenzlinie ergibt sich letztendlich aus der ersten Pixelposition des gleitenden Mittelwertes und der Pixelposition eines erstmaligen Verlassens des Toleranzbereiches durch den gleitenden Mittelwert.
3 beschreibt unterschiedliche Referenzlinien, die auf dem Phasenbild eines ebenen CFK-Grundkörpers (optische Lockin-Thermografie, 0,01 Hz; Prepreg-Laminat, acht Lagen) derart positioniert werden, dass sie sich innerhalb des thermischen Einflusses (thermische Einflusszone: TEZ) fehlstellen- oder strukturbedingter Inhomogenitäten befinden. Folgende Inhomogenitäten werden berücksichtigt:

- Fremdmaterialeinschluss - hier: PTFE-Folie der Materialstärke 0,13 mm, Fläche des Zuschnitts: 30 x 20 mm, Lagentiefe zwischen Lage 6 und 7,
- Buchse aus Stahlwerkstoff 1.4301 mit Durchmesser 10 mm,
- Prüfkörperrand.

Die Untersuchung zeigt, dass unter Anwendung des Referenzkriteriums die visuell sichtbare Grenze der jeweiligen thermischen Einflusszone und damit das Ende einer potenziell möglichen Referenzlinienausdehnung zutreffend erkannt wird.
4 zeigt ergänzend hierzu die Anwendung des Referenzkriteriums auf die in 1 gezeigte Referenzlinie bei einer Anregungsfrequenz von 0,01 Hz. Die Linienausdehnung wird um k = 5 Pixel verlängert, um eine ausreichende Anzahl von Trainingswerten bereitzustellen und zudem den minimal erforderlichen Gesamtbereich von 4 · k = 20 Pixel zu analysieren. Die Untersuchung zeigt, dass die Referenzlinie das Referenzkriterium auf der gesamten angestrebten Länge von n = 20 Pixel erfüllt und damit im Zuge einer weiterführenden Datengenerierung verwendbar ist.
Die kombinierte Untersuchung mehrerer Referenzlinien lässt die Abgrenzung thermografisch homogener Zonen auf der Oberfläche eines optional hybrid ausgeprägten Prüfkörpers zu. Hierbei lässt sich das entsprechende Thermogramm mit einem Linienraster belegen. Die erzeugten Rasterlinien werden jeweils nach dem Referenzkriterium in beidseitiger Laufrichtung ausgewertet, wobei die Startpunkte für die Auswertung den Kreuzungspunkten der Rasterlinien entsprechen. Startpunkte, deren zugehöriger Linienverlauf das Referenzkriterium auf einer Gesamtlänge von mindestens 3 · k Pixel nicht vollständig erfüllt, werden als Grenzpunkte einer thermografisch homogenen Zone festgelegt. Das Areal zwischen den Zonengrenzen beschreibt einen anregungsfrequenzabhängigen Übergangsbereich, der im weiteren Verlauf von der Betrachtung ausgeschlossen wird. Eine geringere Anregungsfrequenz bewirkt ein verstärktes „Verschwimmen“ der Zonen und damit einen größeren Übergangsbereich.
5 verdeutlicht das entsprechende Vorgehen, auf Basis eines ebenen CFK-Prüfkörperausschnitts (Prepreg-Laminat, acht Lagen), an dessen Unterseite ein Blechelement (Stahlwerkstoff: 1.4301, Abmaße: 80 x 80 x 1,5 mm) angebracht ist. Der betrachtete Prüfkörperausschnitt wird mithilfe von 23 x 23 Rasterlinien, in einem Linienabstand von jeweils fünf Pixel untersucht.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden in 5 lediglich 12 x 12 Rasterlinien in einem Linienabstand von jeweils 10 Pixel dargestellt. Ausgehend von den Rasterlinienschnittpunkten werden die Rasterlinien in horizontaler und vertikaler Laufrichtung hinsichtlich der Erfüllung des Referenzkriteriums untersucht und die entsprechenden Zonengrenzpunkte je nach vorliegender Rasterlinienlaufrichtung gefärbt (horizontal: dunkel, vertikal: hell). Die auf diese Weise voneinander abgegrenzten strukturell und zudem thermografisch homogenen Zonen werden gesondert markiert.
Abschließend sei angemerkt, dass sich die Robustheit des Referenzkriteriums hinsichtlich der Abgrenzung thermografisch homogener Zonen auf der FVK-Grundkörperoberfläche dadurch erhöhen lässt, dass erst ein Verlassen des Toleranzbereiches über mehrere Pixel hinweg zu einer Nichterfüllung des Kriteriums führt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass im Zuge des weiteren Vorgehens die jeweiligen Zonen gesondert betrachtet werden.
Bestimmung anregungsfrequenzspezifischer Referenzintervalle
Die zutreffende Erfassung und Dokumentation der zonen- und anregungsfrequenzspezifischen Phasenwertoszillation erfordert eine statistisch abgesicherte Datengenerierung. Diese lässt sich auf Basis einer ausreichenden Anzahl von Referenzlinien erreichen, die innerhalb strukturell sowie gleichzeitig thermografisch homogener Zonen unterschiedlicher Prüfkörper mit vergleichbarer FVK-Grundkörperausprägung platziert werden.
Basierend auf dem in Gleichung 1.1 beschriebenen Zusammenhang lässt sich je Referenzlinie ein Referenzkontrastwert ableiten, der die thermografische Phasenwertoszillation quantifiziert. 6 zeigt dies anhand des Phasenwertexportes aus 4. Zunächst wird über sämtliche Phasenwerte ein globaler Mittelwert M_Ref berechnet. Anschließend werden alle Phasenwerte oberhalb sowie unterhalb von M_Ref gesondert gemittelt (M_high,Ref, M_low,Ref). Die Differenz zwischen M_high,Ref und M_low,Ref entspricht dem Referenzkontrast (PK_Ref ≡ RK).
Unter der Vorgabe eines sowohl strukturell als auch thermografisch homogenen FVK-Grundkörpers, spielen die Orientierung sowie die Ausdehnung von Referenzlinien hinsichtlich der Referenzkontrastgenerierung keine wesentliche Rolle, sofern die Referenzlinien eine ausreichende Länge aufweisen. Im Zuge der vorliegenden Arbeit soll eine Referenzlinie eine Länge von mindestens 3 · k Pixel aufweisen.
Die Gesamtheit sämtlicher Referenzkontrastwerte einer bestimmten FVK-Grundkörperausprägung lässt sich im Zuge eines iterativen Prozesses erweitern (schrittweise Konkretisierung), um eine statistisch abgesicherte Quantifizierung des Referenzrauschens zu erreichen. Abhängig von der jeweiligen Anregungsfrequenz, lässt sich ein „Referenzintervall“ definieren, dessen Breite durch ± 1,96 · σ um den jeweiligen Referenzkontrast-Mittelwert $\bar{P K_{R e f}}$
beschrieben wird und einen statistischen Vertrauensbereich mit einer Trefferwahrscheinlichkeit von 95 Prozent charakterisiert (Specht et al. 2012, S. 204 - Specht, K.; Bulander, R.; Gohout, W.: Statistik für Wissenschaft und Technik. München: Oldenburg-Verlag 2012).
Ein Abbruchkriterium für den iterativen Konkretisierungsprozess kann derart definiert werden, dass sich bei einer bestimmten Anregungsfrequenz lediglich fünf Prozent einer bestimmten Anzahl neu ermittelter Referenzkontrastwerte außerhalb des Toleranzbereiches von ± 1,96 · σ des aktuell bestehenden Referenzintervalls befinden. Für Kurzzeituntersuchungen nennen Schmitt & Pfeifer (2010, S. 600 - Schmitt, R.; Pfeifer, T.: Qualitätsmanagement. Strategien - Methoden - Techniken. 4. Auflage. München Wien: Carl Hanser 2010) einen Umfang von mindestens 20 Stichproben zur Ermittlung des Prozesspotenzials. Diese Empfehlung soll auf das vorliegende Problem übertragen werden. Somit sind im Rahmen der vollständigen Konkretisierung eines Referenzintervalls mindestens 20 vergleichbare Referenzprüfzonen (gleiche FVK-Grundkörperausprägung, äquivalenter Fertigungsprozess, abgekürzt als ROI_Ref) zu untersuchen. Hierbei dürfen maximal fünf Prozent der Gesamtheit sämtlicher Referenzkontrastwerte bezüglich der betrachteten Referenzprüfzonenausprägung und zudem maximal fünf Prozent der ermittelten Referenzkontrastwerte je untersuchter Prüfzone außerhalb des aktuell bestehenden Referenzintervalls liegen.
Um zudem fertigungsspezifische Einflüsse auf die Prüfkörperherstellung sowie optionale Störeinflüsse auf den thermografischen Prüfprozess an unterschiedlichen Prüfstationen zu berücksichtigen, sind ferner die Prüfkörper von mindestens 20 unabhängigen Fertigungsstationen an mindestens 20 unabhängigen Prüfstationen zu untersuchen. Je Prüfzone ist ein gesonderter, thermografischer Bilddatensatz aufzunehmen. Die Unabhängigkeit einer Station wird hierbei dadurch charakterisiert, dass keine gemeinsame Abarbeitung einzelner Prozessschritte sowie keinerlei stationsübergreifende Prozessüberschneidung existiert. Jede Fertigungsstation stellt eine gesonderte Prüfkörpercharge (kurz: „Charge“) von mindestens 20 Referenzprüfkörpern, mit der zu betrachtenden Strukturausprägung bereit. Sämtliche Prüfstationen nutzen das technisch äquivalente Prüfequipment unter Realisierung einer bestimmten, räumlichen Anordnung der thermografischen Systemkomponenten, in Bezug auf die zu betrachtende Referenzprüfzone (ROI_Ref).
Eine zutreffende Charakterisierung fertigungs- und prüfprozessbedingter Einflüsse erfordert die Erfassung eines ausreichend ausgedehnten Bereiches der Prüfkörperoberfläche. Dies lässt sich durch eine systematische Verteilung der Referenzlinien innerhalb der betrachteten Prüfzone mithilfe einer entsprechenden Rasterung (z. B. mit der Rastergröße eines Vielfachen von k Pixel in Laufrichtung der jeweiligen Rasterlinie) erreichen. Jedes Rasterfeld enthält den Startpunkt von mindestens einer Referenzlinie. Zur Erlangung einer aus statistischer Sicht ausgeglichenen Datengenerierung, ist die Anzahl der Referenzlinien je Rasterfeld konstant zu halten, wobei eine Gesamtanzahl von mindestens 20 Referenzkontrastwerten je Referenzprüfzone erforderlich ist.
Eine Möglichkeit zur Realisierung einer derartigen statistisch ausgeglichenen Datengenerierung, unter gleichzeitiger Berücksichtigung einer ausreichenden Anzahl unabhängiger Fertigungs- und Prüfstationen, stellt der sogenannte Ringversuch (englisch: round robin test) dar. 7 zeigt hierzu ein mögliches Vorgehen bezüglich einer spezifischen Referenzprüfzonenausprägung.
Zunächst findet ein vollständiger Durchlauf des Ringversuchs mit (mindestens) 20 partizipierenden Unternehmen statt. Hierbei wird angenommen, dass jedes Unternehmen sowohl eine Fertigungs- als auch eine Prüfstation besitzt. Die generierten Daten des ersten Durchlaufs werden gesammelt und dienen einer vorläufigen Generierung anregungsfrequenzspezifischer Referenzintervalle. Befinden sich nach Abschluss des ersten Durchlaufs lediglich fünf Prozent sämtlicher Referenzkontrastwerte außerhalb der bestehenden Referenzintervalle, so ist das Abbruchkriterium erfüllt und die Konkretisierung der Referenzintervalle abgeschlossen. Anderenfalls steuern alle beteiligten Fertigungsstationen eine neue, gegebenenfalls in ihrem Umfang reduzierte Prüfkörpercharge in den Ringversuch ein. Alternativ kann eine Prüfstation, welche noch nicht am Ringversuch beteiligt ist, eine neue Prüfkörpercharge in den Ringversuch einsteuern. Aus statistischen Gründen muss hierbei der Chargenumfang der Anzahl bereits im Zuge des Ringversuches untersuchter Prüfkörper je Prüfstation entsprechen.
Das sukzessive Generieren weiterer Datensätze bewirkt eine fortwährende Konkretisierung der bestehenden Referenzintervalle, beziehungsweise eine Erweiterung der hiermit verbundenen Toleranzbereiche, bis das Abbruchkriterium erfüllt ist.
Ist bereits eine Konkretisierung bestehender Referenzintervalle bezüglich einer bestimmten Referenzprüfzonenausprägung sowie einer spezifischen Fertigungsstation erfolgt, so ist eine erneute Konkretisierung auf Basis weiterer Prüfkörperchargen der entsprechenden Fertigungsstation nicht zulässig. Sollen dennoch neue Daten bezüglich der betrachteten Fertigungsstation generiert werden, so sind bereits bestehende Daten zu ersetzen, um eine aus statistischer Sicht ausgeglichene Datenerhebung zu gewährleisten.
Die im Rahmen des Ringversuches ermittelten Daten lassen sich sowohl hinsichtlich einer bestimmten Fertigungs- oder Prüfstation (unternehmensspezifische Betrachtung) als auch im Rahmen einer Gesamtbetrachtung interpretieren. Auf unternehmensspezifischer Ebene ermöglicht die Betrachtung des Mittelwertes sowie der Standardabweichung der Referenzkontrastwerte eine Charakterisierung der Stabilität sowie der Fähigkeit des jeweiligen Herstellungs- oder Prüfprozesses. Zudem lassen sich neu ermittelte Referenzkontrastwerte mit den bestehenden Referenzintervallen des anzuwendenden Prüfparametersatzes vergleichen. Auf diese Weise kann die Anwendbarkeit des entsprechenden Parametersatzes, im Rahmen eines zukünftigen Serienprüfprozesses der Prüfkörper einer bestimmten Fertigungsstation, an einer spezifischen Prüfstation bewertet werden. Diese Bewertung ließe sich in regelmäßigen Zeitabständen wiederholen.
Generierung anregungsfrequenz- sowie defektspezifischer Phasenkontrastwerte und Ableitung der Fehlstellensichtbarkeit
Die Ermittlung der Fehlstellensichtbarkeit erfolgt direkt an der Fehlstellengrenze von einem defektfreien zu einem defektbehafteten Bereich einer Prüfzone (sichtbare Abweichung der Phasenbildgebung einer Fehlstelle von der defektfreien strukturellen Peripherie). 8 zeigt die Anordnung linienförmiger Auswertegeometrien (Fehlerlinien) auf dem Phasenbild einer hybriden Verbindungszone (Buchse aus nichtrostendem Stahl - Werkstoffnummer 1.4301, Durchmesser: 38 mm, umlaufender Klebspalt: 1 mm, Klebstoff: Araldite 2015 Huntsman), die eine künstlich in den FVK-Grundkörper (Prepreg-Laminat, acht Lagen) eingebrachte Delamination enthält (PTFE-Folie, die im Anschluss an den Aushärteprozess des FVK-Grundkörpers aus dem Laminat entfernt wird, Fehlstellentiefe zwischen den Lagen vier und fünf (Lagentiefe: 4-5), Ausdehnung: 50 x 60 mm, abgerundete Form).
Die Fehlerlinien 1 bis 4 (Länge n = 27 px) besitzen unterschiedliche Abstände von dem in der Prüfzone befindlichen Metallelement (Buchse, Kategorie A) und sind derart angeordnet, dass sie sich vollständig innerhalb der thermischen Einflusszone der Buchse befinden. Ihre Orientierung in einem Winkel φ_lin auf dem Phasenbild bewirkt, dass im Fall eines defektfreien FVK-Grundkörpers, trotz Existenz der elementbedingten, thermischen Einflusszone, das Referenzkriterium (siehe Gleichung 1.4) auf ihrer gesamten Länge erfüllt ist.
9 beschreibt den pixelweisen Export der Phasenwerte entlang der in 8 dargestellten Fehlerlinien 1 bis 4. Die Phasenverläufe zeigen einen „Sprung“ des Phasenwinkels am Übergang von einem intakten in einen defektbehafteten Bereich des FVK-Grundkörpers. Dieser Sprung ist zwar mit zunehmender Nähe zum Verbindungselement und der hierbei steigenden Intensität der thermischen Einflusszone in seiner Höhe vergleichbar ausgeprägt, befindet sich jedoch in einem verschobenen Phasenwertintervall.
Die Existenz einer thermografischen Inhomogenität innerhalb einer Prüfzone sei dadurch charakterisiert, dass der gleitende Mittelwert aus k aufeinanderfolgenden Phasenwerten P_i des Phasen(winkel)verlaufes der jeweiligen Fehlerlinie, einen Toleranzbereich verlässt, der durch die anregungsfrequenzspezifischen Referenzintervalle bestimmt wird. Um die Robustheit des Inhomogenitätskriteriums zu erhöhen, wird der obere Grenzwert des jeweiligen Referenzintervalls $(\bar{P K_{R e f}} + 1,96 \cdot σ)$
als Toleranzfeldbreite genutzt. Gleichung 1.5 zeigt das entsprechend formulierte Inhomogenitätskriterium. Die Gesamtlänge betrachteter Auswertelinien sei hierbei n Pixel. $\frac{1}{k} \sum_{i = 1 + m}^{k + m} P_{i} \notin \underset{()}{\underset{︸}{[\begin{matrix} \frac{1}{k} \sum_{i = 1}^{k} P_{i} \frac{\bar{P K_{R e f}} + 1,96 \cdot σ}{2}, \\ \frac{1}{k} \sum_{i = 1}^{k} P_{i} - \frac{\bar{P K_{R e f}} + 1,96 \cdot σ}{2} \end{matrix}]}} m i t m = 0,1,2,..., n - k$
10 beschreibt diesen Zusammenhang exemplarisch anhand von Fehlerlinie 3 und dem oberen Grenzwert des Referenzintervalls bei 0,01 Hz nach erfolgter Konkretisierung. Die Bildung des gleitenden Mittelwertes führt dazu, dass der entsprechende Graph nicht mehr deckungsgleich zu dem ursprünglichen Phasenverlauf der Fehlerlinie verläuft. Aus diesem Grund wird der gleitende Mittelwert um k/2 Pixel nach rechts verschoben.
Eine zuverlässige Defekterkennung im Rahmen der Anwendung des Inhomogenitätskriteriums und der hierbei erforderlichen Bildung des gleitenden Mittelwertes erfordert die Existenz von mindestens k Phasenwerten im defektfreien Referenzbereich, ausgehend von der ersten Pixelposition der Fehlerlinie bis hin zu der Pixelposition, an der frühestens eine thermografische Defekterkennung erfolgen soll.
Anderenfalls ist es möglich, dass eine Fehlerlinie bereits in einem defektbehafteten Bereich der betrachteten Prüfzone beginnt.
Anschließend wird der Graph des gleitenden Mittelwertes, ausgehend von Pixelposition 1 (hier: Pixel 7), bis zu einer maximalen Pixelposition von n*- k + 1 (hier: Pixel 23) in Anlehnung an Balageas et al. (2015, S. 4 - Balageas, D. L.; Roche, J.-M.; Leroy, F.-H.: Quantitative assessment of defect characterization using TSR coefficient images. QIRT 2015. Mahabalipuram (Indien): 2015) und Roche et al. (2014, S. 4-8-Roche, J.-M.; Leroy, F.-H.; Balageas, D: Images of Thermographic Signal Reconstruction Coefficients: A Simple Way for Rapid and Efficient Detection of Discontinuities. Materials Evaluation. American Society for Nondestructive Testing (ASNT). Ohio (Vereinigte Staaten): 2014) durch ein Polynom dritter Ordnung approximiert. Auf diese Weise wird berücksichtigt, dass das Polynom lediglich an Pixelpositionen gebildet werden kann, an denen mindestens k Phasenwerte für die Bildung des gleitenden Mittelwertes zur Verfügung stehen.
Das Polynom besitzt exakt ein Maximum sowie ein Minimum, sofern die Fehlerlinienausdehnung und damit der Graph des gleitenden Mittelwertes entsprechend angepasst wurde. Ist nach erfolgter polynomialer Approximation noch kein Maximum oder Minimum des Polynoms existent, wird die Fehlerlinie sukzessive verlängert, bis der jeweilige Extremwert des Polynoms auftritt. Entsprechend führt ein Erreichen des Maximums oder Minimums vor dem Ende der Fehlerlinie zu einer sukzessiven Reduktion der Fehlerlinienausdehnung auf eine möglichst geringe Pixelanzahl bei gleichzeitiger Anwesenheit beider polynomialer Extremwerte.
11 zeigt neben dem, bereits auf den Bereich einer thermografischen Inhomogenität reduzierten, gleitenden Mittelwert von Fehlerlinie 3, dessen Approximation als Polynom dritter Ordnung. Es ist sowohl ein Maximum (Max) an Pixelposition 2 (hier: Pixel 8) als auch ein Minimum (Min) an Pixelposition 16 (hier: Pixel 22) vorhanden. Somit verkürzt sich die ursprüngliche Fehlerlinienlänge und damit auch der Pixelbereich zur Bildung des gleitenden Mittelwertes auf der linken und rechten Seite um jeweils einen Pixel auf insgesamt 15 Pixel.
Der gleitende Mittelwert an den verbleibenden Pixelpositionen 1 bis 15 (hier: Pixel 8 bis 22) wird erneut durch ein Polynom dritter Ordnung approximiert (siehe 12). Hierbei ist erkennbar, dass das Maximum des Polynoms an Pixelposition 1 und das Minimum des Polynoms an Pixelposition 15 verbleibt. Die finale Fehlerlinienausdehnung ist somit erreicht. Das Extremum innerhalb des defektfreien Bereiches der Prüfzone (hier Maximum) sei als Extremum 1, das Extremum innerhalb des defektbehafteten Bereiches der Prüfzone (hier Minimum) als Extremum 2 bezeichnet. Zudem zeigt 12 die originalen Phasenwerte von Fehlerlinie 3, welche im Rahmen des weiteren Vorgehens zu berücksichtigen sind.
Ausgehend von dem vollständig angepassten Phasenverlauf, lässt sich je Fehlerlinie ein Mittelwert $\bar{M_{d}}$
über sämtliche Phasenwerte bilden. Der Phasenkontrast (PK) ergibt sich anschließend aus der Subtraktion der gemittelten Phasenwerte M_high oberhalb und M_low unterhalb des globalen Mittelwertes $\bar{M_{d}}$
(siehe Gleichung 1.1). 13 beschreibt diesen Schritt in grafischer Form am Beispiel von Fehlerlinie 3.
Eine Variation des Abstandes oder der Orientierung der Thermografiekamera, in Bezug auf die Prüfzone sowie der Wechsel der Kameraauflösung, führt unweigerlich zu einer veränderten Auflösung des Sprungbereiches sowie des k-Wertes, welcher die materialbedingte Oszillation der Phasenwerte innerhalb eines defektfreien Bereiches der Prüfzone beschreibt. Sämtliche Aspekte haben jedoch keine nennenswerte Auswirkung auf den resultierenden Phasenkontrast.
Nach Gleichung 1.1 resultiert der Fehlerkontrast (SNR) aus der Division des Phasenkontrastes (PK) durch den Referenzkontrast (PK_Ref ≡ RK). Um im Rahmen der Fehlerkontrastermittlung ein aus statistischer Sicht stark ausgeprägtes Referenzrauschen und damit eine reduzierte Fehlstellensichtbarkeit anzunehmen, wird der jeweilige Phasenkontrast nicht durch einen Referenzkontrasteinzelwert, sondern durch den oberen Grenzwert des jeweiligen Referenzintervalls $(\bar{P K_{R e f}} + 1,96 \cdot σ)$
geteilt. Gleichung 1.6 beschreibt den entsprechenden Zusammenhang. $S N R = \frac{| M_{h i g h} - \bar{M_{d}} | + | M_{l o w} - \bar{M_{d}} |}{\bar{P K_{R e f}} + 1,96 \cdot σ}$
14 zeigt exemplarisch die kombinierte Darstellung sämtlicher Fehlerkontrastwerte (Mittelwerte und Spannweiten - zentrale Linie und punktförmige Markierungen) bei variierenden Anregungsfrequenzen im Rahmen der thermografischen Untersuchung (optische Lockin-Thermografie) eines ebenen FVK-Grundkörpers (Prepreg-Laminat, acht Lagen). In diesen sind vier künstliche Delaminationen in einer Lagentiefe von 2-3 eingebracht, deren horizontale Fehlstellengrenze mit jeweils drei Fehlerlinien unterschiedlicher Orientierung (φ_lin = 0°, φ_lin = 45°, φ_lin = 90°) untersucht werden.
Die anregungsfrequenzabhängigen Spannweiten und Streuungen (±1,96 · σ) der Fehlerkontrasteinzelwerte resultieren insbesondere aus den variierenden Ausprägungen der Phasenkontrastverläufe (Steigungsverhalten, Symmetrie). Es wird deutlich, dass die reale Spannweite der Fehlerkontrastwerte den Toleranzbereich von ±1,96 · σ nahezu ohne Ausnahme nicht überschreitet. Unter Anwendung tieferer Anregungsfrequenzen von 0,03 Hz bis 0,005 Hz treten fertigungsbedingte Inhomogenitäten des FVK-Grundkörpers in den Vordergrund, welche zu erhöhten Spannweiten aufgrund einer stärkeren Streuung der Fehlerkontrastwerte führen.
Eliminierung des thermischen Einflusses hybrider Elemente der Kategorie A sowie optionaler Randzonen
Die thermische Einflusszone (TEZ) eines materialhybriden Elementes der Kategorie A kann in Abhängigkeit von den jeweils auftretenden thermografischen Effekten am Materialübergang und der hieraus resultierenden Phasenwertabweichung in unterschiedliche Bereiche gegliedert werden:

a) TEZ infolge gerichteter und diffuser Reflexion sowie Emission und thermografischem Randeffekt
b) TEZ infolge Abschattung und Emission
c) TEZ infolge Emission und thermografischem Randeffekt

Während die diffuse Reflexion von Wärmestrahlung lediglich einen räumlich eng begrenzten Einflussbereich besitzt, führt der Effekt der gerichteten Reflexion zu einer weiter ausgedehnten Zone, welche eine Phasenwertabweichung beschreibt. Die auf dem FVK-Grundkörper sichtbare Reflexion ist zudem von der Elementgeometrie sowie von der Elementorientierung abhängig. Insbesondere erzeugen geringe Oberflächenrauheiten eines direkt auf der Prüfkörperoberfläche positionierten Metallelementes eine verstärkt gerichtete Reflexion der Wärmestrahlung von der Metalloberfläche auf die Oberfläche des umliegenden FVK-Grundkörpers (Vollmer & Möllmann 2013, S. 12-Vollmer, M.; Möllmann, K.-P.: Infrared Thermal Imaging. Berlin: Wiley-VCH 2013).
Der thermografische Randeffekt tritt unter Anwendung der optischen Lockin-Thermografie in Form einer Phasenwertabweichung an der Grenze intensiv ausgeprägter Phasengradienten in Erscheinung (z. B. am Übergang von einem abgeschatteten zu einem angeregten Bereich einer Prüfzone, an einem Multimaterialübergang oder an sonstigen Randzonen des Prüfkörpers wie Bohrungen, Prüfkörperränder etc.).
Neben der Oberflächenbeschaffenheit des Elementes nach Kategorie A, der vorherrschenden Flächenpressung im Zuge der Elementanbindung (Zweschper 2000 - Zweschper, T.: Zerstörungsfreie und berührungslose Charakterisierung von Fügeverbindungen mittels Lockin Thermografie. ZfP-Zeitung (2000) 71. Berlin: 2000, pp. 43-46.), der geometrischen Ausprägung sowie der Orientierung des Elementes, hängt die Phasenwertabweichung emissionsbedingt von der Elementausdehnung ab. Ferner existieren vielfältige strukturelle Ausprägungen sowie Kombinationsmöglichkeiten hybrider Verbindungs- und Verstärkungselemente.
Um trotz dieser Vielfalt eine reproduzierbare Fehlstellensichtbarkeit innerhalb der TEZ einer hybriden Verbindungszone zu gewährleisten, ohne jede Kombinationsmöglichkeit gesondert betrachten und vollständig dokumentieren zu müssen, gestaltet sich eine allgemeingültige Vorgehensweise mit dem Ziel einer Eliminierung der TEZ optionaler Verbindungs- und Verstärkungselemente der Kategorie A sowie optionaler Randzonen als sinnvoll.
Ziel ist es, den Sprungbereich des Phasenwertexports von Fehlerlinien, unabhängig von dem Abstand der Fehlerlinie von dem Verbindungs- oder Verstärkungselement, auf ein bestimmtes Werteintervall der Grauwertskala des Thermogramms zu beschränken und damit stets eine kontrastreiche Darstellung der Fehlstelle zu gewährleisten. Es ist somit eine pixelweise Anpassung der Phasenwerte des Sprungbereiches auf ein vergleichbares Niveau erforderlich. Diese Anpassung entspricht der durchschnittlichen, pixelweisen Phasenwertabweichung eines Prüfkörperbereiches innerhalb der TEZ, ausgehend von einem durchschnittlichen Referenzniveau der Phasenwerte außerhalb der TEZ.
Aus der digitalen Bildverarbeitung ist ein derartiges Vorgehen unter dem Begriff des „Normalisierens“ bekannt (Rosenfeld & Kak 1976, S. 405 ff. - Rosenfeld, A.; Kak, A. C.: Digital Picture Processing. New York (Vereinigte Staaten): Academic Press Inc. 1976) und soll nun auf die thermografische Phasenbildgebung angewendet werden. Auf Basis einer ausreichenden Anzahl defektfreier Prüfkörper wird, entsprechend der zu untersuchenden Prüfzone, ein gemitteltes Phasenbild generiert und hiervon das gemittelte Phasenbild eines TEZ-freien Referenzbereichs abgezogen. Das Ergebnisbild beschreibt die TEZ-bedingte, pixelweise Phasenwertabweichung, die von der Anregungsfrequenz abhängig ist. Der im Rahmen der thermografischen Untersuchung auftretende maximale k-Wert liefert einen Anhaltspunkt hinsichtlich der minimal erforderlichen Anzahl zu untersuchender Prüfkörper.
Das resultierende Ergebnisbild einer pixelweise gemittelten, TEZ-bedingten Phasenwertabweichung wird als Abweichungskarte bezeichnet, der Erstellungsprozess einer prüfzonenspezifischen Abweichungskarte als Trainieren. Sowohl im Rahmen der Erzeugung einer Abweichungskarte als auch im späteren Prüfprozess der zu untersuchenden Prüfzone ist es essenziell, dass die räumliche Anordnung sämtlicher thermografischer Systemkomponenten in Bezug auf die Prüfzone konsequent beibehalten wird.
Die finale Subtraktion der Abweichungskarte von dem Phasenbild einer strukturell äquivalent ausgeprägten Prüfzone wird als Anwenden der Abweichungskarte bezeichnet. 15 beschreibt die gesamte Prozesskette des Normalisierens in schematischer Form am Beispiel eines Metallelementes der Kategorie A (auf ebener FVK-Grundkörperoberfläche platzierter Metallquader). Die durch das Element verdeckte FVK-Grundkörperoberfläche wird als „Blindbereich“ benannt.
16 verdeutlicht schematisch die oben beschriebene Eliminierung der TEZ bzw. der Phasenwertabweichung durch das Normalisieren am Beispiel eines Metallelementes der Kategorie A (Metallquader).
Linienbasierte Fehlstellenabstraktion
Der folgende Abschnitt fokussiert das direkte Umfeld der Fehlstellengrenze und stellt hierbei eine linienbasierte Methode der Fehlstellenabstraktion vor. Der Begriff „linienbasiert“ charakterisiert hierbei das Vorgehen, eine Fehlstellenausprägung auf Basis von Schnittebenen zu beschreiben, deren Verlauf durch die Position und Orientierung entsprechender Fehlerlinien festgelegt ist. In diesem Zusammenhang sind je Schnittebene die folgenden fehlstellenbezogenen Parameter zu berücksichtigen (siehe hierzu 17):

- Fehlstellentiefe t_F
- Fehlstellenbreite b_F
- Fehlstellen(spalt)höhe h_F
- (thermografische) Fehlstellenorientierung φ_F,herm
- Distanz zwischen realer und thermografischer Fehlstellengrenze o_F
- Fehlstellenmaterial (z. B. bei Delamination oder Pore: Luft, bei Fremdkörpereinschluss: Material des Fremdkörpers)

Durch eine Lockin-thermografische Untersuchung lassen sich erste Rückschlüsse auf die oben genannten Parameter ziehen (Fehlstellentiefe, Fehlstellenbreite, Fehlstellenorientierung), wobei festzuhalten ist, dass sich die auf der Prüfkörperoberfläche thermografisch sichtbare Fehlstellenausprägung von der real innerhalb des Prüfkörpers befindlichen Fehlstelle unterscheidet. Eine Fehlstelle im Prüfkörperinneren führt aufgrund des ungerichteten, diffusiven Wärmetransportes nach erfolgter Reflexion der thermischen Welle an der Fehlstellengrenzfläche zu einer abweichenden, thermografischen Fehlstellenausdehnung auf der Prüfkörperoberfläche, wie sie letztendlich auch auf dem Thermogramm sichtbar ist.
Unter Anwendung einer linienbasierten Ermittlung des Phasenkontrastes (Index „lin“), wie sie vorstehend beschrieben ist, kann der Zusammenhang zwischen der realen und der an der Prüfkörperoberfläche sichtbaren, thermografischen Fehlstellenausprägung abstrahiert dargestellt werden (siehe 17). Der Wendepunkt des Polynoms dritter Ordnung eines k-gemittelten Phasenverlaufes charakterisiert hierbei die Position des ROI-Zentrums C auf der Prüfkörperoberfläche. Der an der Prüfkörperoberfläche, entlang der jeweils betrachteten Fehlerlinie gemessene Abstand zwischen dem ROI-Zentrum C (Wendepunkt) und Extremum 2 des Polynoms dritter Ordnung, entspricht der halben, thermografischen, approximierten Fehlstellenbreite $\frac{b_{F, l i n, t h e r m, a p p r o x}}{2}$
(approximierter Betrachtungsfall).
Ferner entspricht der Abstand zwischen Extremum 1 und 2 des Polynoms dritter Ordnung und damit die Länge einer vollständig angepassten Fehlerlinie der halben, auf der Prüfkörperoberfläche sichtbaren, thermografischen Fehlstellenbreite $\frac{b_{F, l i n, t h e r m}}{2}$
(direkter Betrachtungsfall). Ist die Struktur des FVK-Grundkörpers gekrümmt, lassen sich die Pixelpositionen der polynomialen Extrema senkrecht von dem Sichtfeld der Thermografiekamera auf die Prüfkörperoberfläche projizieren. Auf diese Weise entsprechen die ermittelten, thermografischen Fehlstellenbreiten der realen Ausdehnung des thermografischen Fehlstellensignals auf der Prüfkörperoberfläche.
Gleiches Vorgehen gilt für die halbe, reale Fehlstellenbreite $\frac{b_{F, l i n}}{2}$
, die dem Abstand zwischen der senkrechten Projektion des polynomialen Extremums 2 in das Materialinnere und der realen Fehlstellengrenze F, in der Fehlstellentiefe t_F entspricht. Die auftretende Distanz o_F,lin zwischen der realen und der thermografischen Fehlstellenausdehnung, lässt sich sowohl im Rahmen der direkten als auch im Zuge der approximierten Betrachtung, durch die Differenz $\frac{b_{F, l i n, t h e r m}}{2}$
von und $\frac{b_{F, l i n}}{2}$
errechnen: $O_{F, l i n} = \frac{b_{F, l i n, t h e r m}}{2} - \frac{b_{F, l i n}}{2}$
$O_{F, l i n, a p p r o x} = \frac{b_{F, l i n, t h e r m, a p p r o x}}{2} - \frac{b_{F, l i n}}{2} .$
Der gesamte Dokumentationsprozess fehlstellenbezogener Parameter erfordert eine ebene Fehlstellenausprägung innerhalb einer räumlichen Sicherheitsumgebung. Diese Sicherheitsumgebung besitzt eine sphärische Ausdehnung, ausgehend von der Prüfkörperoberfläche in das Strukturinnere, beginnend von jeder Pixelposition der in ihrer Länge vollständig angepassten Fehlerlinie. Die Ausdehnung wird durch die, aufgrund der genutzten Anregungsfrequenz und des vorliegenden Prüfkörpermaterials, maximal mögliche (im Fall eines schichtweisen Materialmixes sukzessive aufsummierte) thermische Eindringtiefe beschrieben.
Die Fehlstellenhöhe h_F ist entweder bereits durch eine definierte Fehlstelleneinbringung bekannt, oder lässt sich durch eine computertomografische Analyse oder eine mikroskopische Schliffbilduntersuchung ermitteln. h_F wird an der Pixelposition des polynomialen Extremums 2, entlang der senkrechten Projektionslinie, ausgehend von Extremum 2, in das Materialinnere bestimmt. Die maximal auftretende Fehlstellenhöhe wird durch h_F,max beschrieben und sei als maximale Spalthöhe der Fehlstelle innerhalb der Sicherheitsumgebung in der jeweils betrachteten Schnittebene definiert. Die Hauptschnittebene bezeichnet hierbei die Schnittebene entlang der jeweils betrachteten Fehlerlinie, wobei zudem sämtliche Schnittebenen längs und 90° quer zu dieser Schnittebene, innerhalb der Sicherheitsumgebung mithilfe der Computertomografie zu untersuchen sind.
Die Ebenheit einer Fehlstelle wird in der jeweiligen Fehlstellentiefe t_F, ausgehend von der Prüfkörperoberfläche, überprüft. Hierbei ist sicherzustellen, dass die betrachtete Fehlstelle innerhalb der gesamten Sicherheitsumgebung lediglich in einer bestimmten Lagentiefe ausgedehnt ist. Diese Lagentiefe wird durch die Fehlstellentiefe t_F, beziehungsweise die Position von F in der Hauptschnittebene, festgelegt. Alternativ kann eine Fehlstelle als eben angesehen werden, wenn ihre obere und untere Grenzfläche innerhalb der gesamten Sicherheitsumgebung vollständig in einem Toleranzbereich von $\pm \frac{h_{F, m a x}}{2}$
verbleibt. Dieser Toleranzbereich wird, ausgehend von der vorherrschenden Fehlstellentiefe t_F, an der Fehlstellengrenze F beschrieben und für die jeweils betrachtete Schnittebene gesondert festgelegt. 17 zeigt exemplarisch das entsprechende Vorgehen auf Basis einer Hauptschnittebene.
Neben der Überprüfung des Kriteriums der Fehlstellenebenheit ist im Rahmen der computertomografischen Schnittebenenuntersuchung sicherzustellen, dass sich keine weiteren Fehlstellen innerhalb der Sicherheitsumgebung befinden und damit keine thermografische Überlagerung beziehungsweise Beeinflussung des thermografischen Fehlstellensignals auf der Prüfkörperoberfläche durch weitere Fehlstellen erfolgt. Die zusätzliche Voraussetzung einer ununterbrochenen Fehlstellenausprägung führt dazu, dass sowohl die Existenz weiterer Fehlstellen als auch von Hinterschneidungen der Fehlstellengrenze innerhalb der Sicherheitsumgebung ausgeschlossen ist. Beide Phänomene würden zu einer Verfälschung der Fehlstellensichtbarkeit sowie der Differenz zwischen realer und thermografischer Fehlstellenausdehnung führen.
Die Computertomografie bietet den Vorteil, dass der Prüfkörper im Zuge der Untersuchung nicht zerstört wird. Nachteilig gestaltet sich jedoch das begrenzte Auflösungsvermögen der Computertomografie. Feinste Delaminationen mit Fehlstellenhöhen weniger Mikrometer, sind gegebenenfalls nicht zuverlässig darstellbar. Abhilfe schafft hierbei die Verwendung eines Mikro-Computertomografen, der allerdings einen begrenzten Untersuchungsraum besitzt. Zur Analyse der Hauptschnittebene bietet sich ergänzend die Erstellung eines mikroskopischen Schliffbildes an. Allerdings wird hierbei der Prüfkörper zerstört, weshalb diese Methode erst nach erfolgter computertomografischer sowie thermografischer Untersuchung anzuwenden ist.
Je dünnwandiger die FVK-Grundkörperstruktur ausgeprägt ist, desto genauer entspricht die reale, innerhalb des Prüfkörpers bestehende Orientierung der Fehlstellengrenze φ_F (reale Fehlstellenorientierung) der auf der Bauteiloberfläche sichtbaren thermografischen Fehlstellenorientierung φ_F,herm . Umso dickwandiger die Struktur ausgeprägt ist und je tiefer sich eine Fehlstelle im Materialinneren befindet, desto stärker kann aufgrund des diffusiven Wärmetransportes die reale Fehlstellenorientierung von der thermografisch, auf der Prüfkörperoberfläche sichtbaren Fehlstellenorientierung abweichen. Trotz der Möglichkeit einer derartigen Abweichung wird dieser Aspekt durch eine umfassende Generierung fehlstellenbezogener Daten auf statistischer Basis ausgeglichen. Hierbei wird lediglich die thermografische Fehlstellenorientierung φ_F,herm betrachtet und mithilfe der Tangente an die Fehlstellengrenze durch das jeweilige ROI-Zentrum C ermittelt (siehe 18).
Unter Anwendung trigonometrischer Beziehungen zwischen der realen und der thermografischen Fehlstellenorientierung lässt sich eine abstrahierte, thermografische Fehlstellenausdehnung b_F,therm ableiten. Durch die zusätzliche Berücksichtigung einer abstrahierten Distanz o_F kann eine zugehörige, abstrahierte Fehlstellenausdehnung im Materialinneren b_F bestimmt werden. 18 verdeutlicht diese Zusammenhänge schematisch für den Fall eines ebenen FVK-Grundkörpers.
Ist die Fehlerlinie nicht senkrecht zu der Tangente an die thermografisch sichtbare Fehlstellengrenze orientiert, so führt der Abstraktionsprozess unweigerlich zu Abweichungen der resultierenden, fehlstellenbezogenen Parameter, von den real vorliegenden Gegebenheiten (kreisförmige Markierungen in 18). Diese Abweichungen lassen sich entlang einer entsprechenden Orientierungslinie (Abstraktionslinie mit Orientierung ^{φlin,abstrahiert}) erkennen.
Im Fall eines geradlinigen Verlaufs der Fehlstellengrenze sowie einer homogen ausgeprägten Fehlstelle, führt ein Phasenwertexport entlang einer Fehlerlinie, unabhängig von der Linienlaufrichtung, zu vergleichbaren Phasenkontrastwerten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich das resultierende polynomiale Extremum 2 stets an der äquivalenten Pixelposition befindet. Entsprechende Tatsache führt zu der Entscheidung, entsprechende oder derartige Abweichungen fehlstellenbezogener Parameter, die sich aufgrund des Abstraktionsprozesses ergeben, zu tolerieren.
Ergänzend sei angemerkt, dass eine senkrechte Ausrichtung der Fehlerlinie zu der thermografisch sichtbaren Fehlstellengrenze bewirkt, dass o_F,lin und o_F übereinstimmen. Damit entsprechen sich b_F,lin und b_F sowie b_F,lin,therm und b_F,therm paarweise. Abstraktionslinie und Fehlerlinie fallen zusammen, was gegebenenfalls auftretende, abstraktionsbedingte Abweichungen minimiert.
Die in den 18 dargestellten, geometrischen sowie trigonometrischen Zusammenhänge lassen eine Berechnung fehlstellenbezogener Parameter auf Basis des thermografisch sichtbaren Fehlstellenbildes zu und gestalten sich wie folgt: $φ_{d i f f} = φ_{l i n} - φ_{F, t h e r m}$
$φ_{l i n, a b s t r a h i e r t} = φ_{F, t h e r m} + 90 °$
$o_{F} = o_{F, l i n} \cdot sin φ_{d i f f}$
$\frac{b_{F, t h e r m}}{2} = \frac{b_{F, l i n, t h e r m}}{2} \cdot sin φ_{d i f f}$
$\frac{b_{F}}{2} = \frac{b_{F, l i n}}{2} \cdot sin φ_{d i f f}$
$o_{F} = \frac{b_{F, t h e r m}}{2} - \frac{b_{F}}{2}$
Die kombinierte Betrachtung unterschiedlicher Fehlstellenorientierungen in einer spezifischen Fehlstellentiefe ermöglicht die Annahme einer als Scheibe abstrahierten Fehlstelle. Diese berücksichtigt sowohl eine orientierungsspezifische thermografische Fehlstellenausdehnung beziehungsweise Fehlstellenbreite als auch die jeweils erreichbaren Fehlstellensichtbarkeiten auf statistischer Basis.
Sicherstellung der erforderlichen Fehlstellenauflösung
Die minimale Auflösung des Sprungbereiches, dessen Phasenwerte einen charakteristischen, k-gemittelten Phasenwinkelverlauf sowie ein approximiertes Polynom dritter Ordnung mit entsprechenden Extrema beschreiben, beträgt zwei Pixel oberhalb sowie zwei Pixel unterhalb des globalen Phasenmittelwertes M_d - also insgesamt vier Pixel. Die minimale Fehlerlinienlänge, nach vollständiger Anpassung der Fehlerlinienausdehnung, würde hierbei zwei Pixel betragen. Dies führt allerdings dazu, dass eine Fehlstelle im ungünstigsten Fall lediglich auf einem Pixel abgebildet wird (Ausdehnung der thermografischen Inhomogenität).
19 zeigt diese Problematik in schematischer Form. Auf Basis eines exemplarischen, k-gemittelten Phasenverlaufs (gleitender Mittelwert) wird das Inhomogenitätskriterium in beiden Laufrichtungen (von links und von rechts) von einem defektfreien, in den defektbehafteten Bereich der Prüfzone überprüft. Das Polynom dritter Ordnung wird hierbei bezüglich beider Laufrichtungen dargestellt. Die angenommene Fehlstelle soll eine minimale Ausdehnung besitzen.
Um sicherzustellen, dass eine thermografische Inhomogenität mit mindestens drei aufeinanderfolgenden Pixeln aufgelöst wird (Thiemann 2015, S. 35 - Thiemann, C.: Methode zur Konfiguration automatisierter thermografischer Prüfsysteme. Dissertation. Technische Universität München. München: Herbert Utz Verlag 2015), sollten sich je Laufrichtung mindestens drei Pixel zur Bildung des gleitenden Mittelwertes beziehungsweise des Polynoms dritter Ordnung innerhalb der thermografischen Inhomogenität befinden. Unter Annahme einer zu dem jeweiligen Wendepunkt rotationssymmetrischen Ausprägung des Polynoms dritter Ordnung, muss der entsprechende Graph auf Basis von mindestens sechs aufeinanderfolgenden Phasenwerten des gleitenden Mittelwertes gebildet werden (siehe 20).
Wird ein achsensymmetrisch ausgeprägter, k-gemittelter Phasenwinkelverlauf über die gesamte Fehlstelle hinweg angenommen, beträgt die minimale Auflösung der gesamten, thermografischen Fehlstellenausdehnung b_F,therm, also von Extremum 1 (Laufrichtung von links) zu Extremum 1 (Laufrichtung von rechts), sieben Pixel. Die minimale Länge einer vollständig angepassten Fehlerlinie liegt somit bei vier Pixel $(\frac{7 px}{2} = 3,5 px \approx 4 px) .$
Wenngleich eine Variation des Detektionswinkels oder des Detektionsabstandes zu einem veränderten k-Wert führt, so beeinflusst dies nicht die thermografische Phasenwertoszillation beziehungsweise die anregungsfrequenzspezifischen Referenzintervalle sowie den Phasenkontrast an der Fehlstellengrenze. Grund hierfür ist, dass sowohl die materialbedingte Phasenwertoszillation innerhalb eines defektfreien Referenzbereiches als auch der Übergang von einer intakten in eine defektbehaftete Zone des FVK-Grundkörpers (Sprungbereich) lediglich in einer veränderten Auflösung mit vergleichbaren Oszillationsamplituden abgebildet wird.
Das Überschreiten eines bestimmten Detektionswinkels oder Detektionsabstandes kann dazu führen, dass die minimale Auflösung der thermografischen Abbildung einer zu detektierenden, relevanten Fehlstelle unterschritten wird. Um in diesem Zusammenhang Anforderungen hinsichtlich möglicher Abstände und Orientierungen der Thermografiekamera ableiten zu können ist es sinnvoll, entsprechende Parameterwerte (Detektionswinkel, Detektionsabstand) informativ zu dokumentieren. Unabhängig davon gilt die Voraussetzung eines maximalen Abstandes thermografischer Systemkomponenten von zwei Metern bis zum ROI-Zentrum, um den Einfluss potenzieller atmosphärischer Störungen vernachlässigen zu können (Kochan 2011, S. 52 - Kochan, A.: Untersuchung zur zerstörungsfreien Prüfung von CFK-Bauteilen für die fertigungsbegleitende Qualitätssicherung im Automobilbau. Dissertation. Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden. Dresden: 2011).
Ist die Thermografiekamera, ausgehend von der lokalen Flächennormalen n der Prüfkörperoberfläche, unter einem Detektionswinkel δ_det auf die Prüfzone gerichtet oder der FVK-Grundkörper der Prüfzone gekrümmt, so ist im Rahmen der Positionierung und Orientierung der Thermografiekamera sicherzustellen, dass die zu detektierende thermografische Fehlstellenbreite b_F,therm stets mit einer minimalen Auflösung von sieben Pixel abgebildet wird. Diese Anforderung gilt unabhängig von der thermografischen Fehlstellenorientierung φ_F,herm auf der Prüfkörperoberfläche. b_F,herm kann hierbei direkt der relevanten, realen Fehlstellenbreite b_F zugeordnet werden. Im Zuge einer statistisch konservativen Betrachtung der thermografischen Fehlstellenbreite ist hierbei eine aus statistischer Sicht geringe Distanz (o_F - 1,96 · σ) beziehungsweise eine geringe thermografische Fehlstellenbreite (b_F,therm - 1,96 · σ) anzunehmen.
Im Fall eines ebenen FVK-Grundkörpers sowie einer frontalen Detektion (Index „frontal‟) wird, zur Überprüfung dieser Vorgabe, die eindimensionale (linienbasierte) Auflösung Res einer thermografischen Inhomogenität unter Berücksichtigung eines bestimmten Detektionsabstandes d_det herangezogen. Liegt eine nicht frontale Detektion vor, lässt sich die thermografische Fehlstellenbreite, welche auf einer frontalen Detektion basiert, in die, aufgrund der gegebenen Position und Orientierung der Thermografiekamera vorliegende, thermografische Fehlstellenbreite umrechnen. Gleichung 1.15 und 1.16 beschreiben die entsprechende Umrechnungsvorschrift für die horizontale (Aufsicht, Index „hor“) und vertikale Betrachtung (Seitenansicht, Index „ver“) einer Versuchsanordnung. $R e s (\bar{b_{F, t h e r m, f r o n t a l}} - 1,96 \cdot σ) \cdot cos (δ_{d e t, h o r}) > 7 p x$
$R e s (\bar{b_{F, t h e r m, f r o n t a l}} - 1,96 \cdot σ) \cdot cos (δ_{d e t, v e r}) > 7 p x$
Ist der FVK-Grundkörper gekrümmt, so erfolgt die Sicherstellung der minimalen Auflösung der zu detektierenden, thermografischen Fehlstellenausdehnung durch eine senkrechte Projektion der halben thermografischen Fehlstellenbreite auf das Sichtfeld (englisch: field of view, FOV) der Thermografiekamera. Die minimale Auflösung beträgt hierbei vier Pixel $(\frac{7 p x}{2} = 3,5 p x \approx 4 p x) .$
Eine objektiv- oder linsenbedingte Krümmung der thermografischen Bildgebung wird in diesem Zusammenhang vernachlässigt. 21 zeigt das entsprechende Vorgehen in schematischer Form, für den Fall einer senkrechten Orientierung der Fehlerlinie in Bezug auf den Verlauf der thermografisch sichtbaren Fehlstellengrenze.
Weiterführende experimentelle Ergebnisse
Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die thermografische Fehlstellenbreite b_F,therm unterschiedlich stark von der realen Fehlstellenbreite b_F abweichen kann. Beeinflussende Parameter sind in diesem Zusammenhang bei konstantem Lagenaufbau insbesondere die Fehlstellentiefe sowie die Anregungsfrequenz.
Um letztendlich von der thermografischen Fehlstellenbreite auf eine relevante, reale Fehlstellenausdehnung in einer bestimmten Lagentiefe rückschließen zu können, ist eine statistische Betrachtung des variierenden Distanzwertes o_F, welcher sich aus der Differenz der halben thermografischen und der halben realen Fehlerausdehnung ergibt, unerlässlich. Die Distanzwerte streuen um einen Mittelwert und sind normalverteilt.
Eine hohe Detektionssicherheit erfordert die Existenz geeigneter Prüfparameter zur Erkennung von mindestens der oberen Grenze eines statistischen Vertrauensintervalls bezüglich der realen Fehlstellenausdehnung. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die realen Fehlstellenbreiten, die dem durch eine zukünftige Wissensbasis zur Verfügung gestellten Prüfparametersatz zugrunde liegen, statistisch betrachtet kleiner sind, als die relevante Fehlstellenausdehnung selbst. Die relevante Fehlstellenausdehnung wird somit unter Anwendung des jeweiligen Prüfparametersatzes mindestens genauso gut oder besser sichtbar sein, als die Fehlstellensichtbarkeiten, welche in dem entsprechenden Parametersatz dokumentiert sind. Eine geeignete Sicherheit bietet die Nutzung der 1,96-fachen Standardabweichung der realen Fehlstellenbreite (mindestens 20 Einzelwerte), ausgehend vom jeweiligen Mittelwert, in positiver Richtung.
Ferner wurde experimentell erkannt gezeigt, dass eine sukzessive Zunahme der Fehlstellenausdehnung nicht zwangsläufig zu einer Erhöhung des Phasenkontrastwertes führt. Ab einer bestimmten kritischen Fehlstellenbreite b_F,krit löst eine weitere Zunahme der Fehlstellenbreite die Ausbildung eines Plateaus im Phasenverlauf aus. Der Übergang von einer defektfreien in eine defektbehaftete Zone einer ROI bewirkt ab diesem Punkt keine nennenswerte Phasenkontraständerung.
22 verdeutlicht exemplarisch eine keilförmig in einen ebenen FVK-Grundkörper eingebrachte Delamination in der Lagentiefe 1-2 bei einer Anregungsfrequenz von 0,03 Hz. Die Schichttrennung wird durch das Einlaminieren von eingetrenntem Metallblech der Materialstärke 0,5 mm erzeugt, welches im Anschluss an den Aushärteprozess wieder aus dem Laminat gezogen wird. Zur einfacheren Darstellung wird der direkte Phasenwertexport und nicht der gleitende Mittelwert beziehungsweise das jeweilige Polynom dritten Grades gezeigt. Die im Rahmen der Betrachtung relevanten Charakteristika der entsprechenden Graphen wären zu denen der dargestellten Phasenverläufe äquivalent.
Die kritische Fehlstellenbreite b_F,krit wurde erreicht, sobald sich mit zunehmender Fehlstellenbreite das Extremum 2 des Polynoms dritter Ordnung eines k-gemittelten Phasenverlaufes (hier Maximum), stets an der äquivalenten Pixelposition befindet (hier: ab Fehlerlinie 3, Laufrichtung von unten).
Die Fehlerlinien 3 bis 10 bilden im Bereich zwischen den Pixelpositionen der jeweiligen Extremwerte ein Plateau aus und können sowohl hinsichtlich der Ausprägung des resultierenden Fehlerkontrastes als auch bezüglich der Dokumentation fehlstellenbezogener Parameter vernachlässigt werden.
Neben der Fehlstellenausdehnung ist die (thermografische) Fehlstellenorientierung als relevanter, fehlstellenbezogener Parameter einzustufen, da dessen Variation mit einer Veränderung der resultierenden Phasenkontrastgebung einhergeht. 23 verdeutlicht diesen Sachverhalt auf Basis eines Probekörpers und zeigt ein exemplarisches Thermogramm bei einer Anregungsfrequenz von 0,01 Hz, aufgenommen mit einer FLIR X8400sc Thermografiekamera.
Der FVK-Grundkörper ist aus reinem UD-Prepreg gefertigt, wobei innerhalb des Laminates eine durchgehende Faserorientierung vorliegt. Unter Annahme eines vermehrt lateralen Wärmetransportes in Faserlängsrichtung, bewirkt ein derartiger Lagenaufbau eine maximale Wärmeleitungsanisotropie und damit eine maximale, potenzielle Beeinflussung der Phasenkontrastgebung. Die dargestellten Fehlstellen (Delaminationen) sind in der Lagentiefe 1-2 eingebracht.
Anhand der Phasenwertexporte ist ersichtlich, dass sich, je nach Orientierung der Fehlstellengrenze in Bezug auf die Faserorientierung, die Extrema der Phasenwertexporte und damit auch die polynomialen Extrema sowie die letztendlichen Phasenkontrastwerte, trotz äquivalenter Fehlstellenausdehnung, unterscheiden. Die Intensität dieser Phasenkontrastvariation ist von der Fehlstellenausdehnung abhängig.
Die Ergebnisse weiterführender Untersuchungen sämtlicher Lagentiefen (1-2, 3-4, 5-6 und 7-8) und Anregungsfrequenzen (1 Hz, 0,7 Hz, 0,5 Hz, 0,3 Hz, 0,1 Hz, 0,07 Hz, 0,05 Hz, 0,03 Hz, 0,01 Hz, 0,005 Hz) beschrieben stets einen Einfluss der Fehlstellenorientierung beziehungsweise der vorherrschenden Faserorientierungen sämtlicher Laminatlagen des FVK-Grundkörpers, auf den resultierenden Phasenkontrast. Durch die Übertragbarkeit dieser grundsätzlichen Charakteristik auf die gesamte Untersuchung, wird im Folgenden auf eine detaillierte Ergebnisdarstellung verzichtet.
Entwicklung übergeordneter Prozessketten
Im Hinblick auf die zu bearbeitende Themenstellung lassen sich die Hauptprozesse der Referenzierung, also der Generierung neuer prüfaufgabenspezifischer, thermografischer Parametersätze und der Bereitstellung bereits bestehender Parametersätze durch eine zukünftige Wissensbasis unterscheiden. Im Folgenden werden beide Hauptprozesse in einzelne Prozessschritte untergliedert und jeweils im Rahmen eines gesonderten Unterkapitels erläutert. Hierbei werden sämtliche Erkenntnisse aus den vorangegangenen Kapiteln miteinbezogen.
Referenzierungsprozess:
Die thermografische Referenzierung hinsichtlich einer relevanten Fehlstellenausprägung erfordert zunächst die Identifizierung und Abgrenzung strukturell homogener FVK-Grundkörperbereiche der zu prüfenden Gesamtkomponente, wie obenstehend erläutert. Ist die Ausprägung der Komponente nicht vollständig bekannt, können mithilfe einer computertomografischen Untersuchung, ausgehend von jeder Position auf der Komponentenoberfläche, entsprechende Sicherheitsumgebungen analysiert werden, wie ebenfalls bereits obenstehend erläutert. Anschließend wird jeder strukturell homogene Bereich der Gesamtkomponente gesondert betrachtet und mithilfe strukturbezogener Parameter vollständig beschrieben.
Im darauffolgenden Schritt wird die thermografische Homogenität innerhalb des jeweiligen strukturell homogenen Bereiches, durch Erzeugung und Auswertung thermografischer Bilddaten, überprüft. Hierbei wird das obenstehend beschriebene Referenzkriterium angewendet, wodurch thermische Einflusszonen spezifiziert werden können. Ferner ermöglicht dieses Vorgehen die Ermittlung potenziell möglicher Laufrichtungen von Auswertelinien innerhalb thermischer Einflusszonen. Alternativ kann die Abgrenzung thermografisch homogener Zonen erfolgen, innerhalb derer Referenzlinien platziert werden können, wie obenstehend erläutert.
Es wird angenommen, dass der material- und anregungsfrequenzspezifische Wert k für den Fall eines ebenen FVK-Grundkörpers in sämtlichen Laufrichtungen potenzieller Auswertelinien auf der FVK-Grundkörperoberfläche bereits bekannt ist. Anderenfalls wäre k auf Basis ungekrümmter Probekörper in Frontaldetektion für einen oder mehrere Detektionsabstände zu bestimmen. Im Fall einer gekrümmten Struktur kann anschließend, je Laufrichtung einer Auswertelinie und Anregungsfrequenz, eine projektionsbasierte Ermittlung von k erfolgen.
Lagenaufbau und Fertigungstechnologie der Probekörper müssen mit dem zu untersuchenden Prüfkörperbereich übereinstimmen. Besitzt dieser eine ebene Strukturausprägung, so können entsprechende Couponproben sowie die zugehörigen Bilddaten, welche im Zuge der Ermittlung erforderlicher k-Werte genutzt wurden, zudem für die Konkretisierung anregungsfrequenzspezifischer Referenzintervalle verwendet werden. Dies spart sowohl Prüfkörpermaterial als auch Prüfzeit.
Sind sämtliche erforderlichen k-Werte bekannt, erfolgt die schrittweise Konkretisierung anregungsfrequenzspezifischer Referenzintervalle - optional durch die Etablierung eines Ringversuches, wie obenstehend erläutert. 24 beschreibt die Prozesskette hinsichtlich der Generierung statistisch abgesicherter, anregungsfrequenzspezifischer Referenzintervalle bezüglich eines strukturell homogenen Bereiches an einer beliebigen Prüfstation des Ringversuches.
Nach vollständiger Konkretisierung anregungsfrequenzspezifischer Referenzintervalle erfolgt die Generierung fehlstellenbezogener Parameterwerte. Hierbei ist eine thermografische Untersuchung sowohl von künstlich defektbehafteten Probekörpern (Detail- / Elementebene) als auch von real geschädigten Bauteilen (Gesamtstruktur, Komponenten- oder Subkomponentenebene) möglich. Die generierten Daten können gesammelt und anschließend hinsichtlich Fehlstellentiefe, -ausdehnung und -orientierung gruppiert werden.
Eine statistisch abgesicherte Datengenerierung erfordert im Hinblick auf eine relevante Fehlstellenausdehnung (reale Fehlstellenbreite b_F in der Hauptschnittebene) in einer spezifischen Fehlstellentiefe, unterschiedliche (thermografische) Fehlstellenorientierungen mit jeweils einer ausreichenden Anzahl fehlstellenbezogener Datensätze. Ein vollständiger Prüfparametersatz bezieht sich stets auf eine relevante, reale Fehlstellenausdehnung in einer spezifischen Fehlstellentiefe, mit einer bestimmten (thermografischen) Fehlstellenorientierung innerhalb einer bestimmten FVK-Grundkörperausprägung (strukturell homogener Bereich).
Aus statistischen Gesichtspunkten muss ein vollständiger Prüfparametersatz bezüglich einer Anregungsfrequenz fehlstellenbezogene Datensätze von mindestens 20 Prüfkörpern unterschiedlicher Fertigungsstationen beinhalten, die wiederum an unterschiedlichen Prüfstationen untersucht wurden. Eine minimale statistische Absicherung erfordert somit insgesamt mindestens 20 Datensätze innerhalb eines Prüfparametersatzes. Eine Überprüfung dieser Anforderung wird durch die zusätzliche Protokollierung der folgenden Informationen je Datensatz ermöglicht:

- Eindeutige Bezeichnung der Fertigungsstation,
- eindeutige Bezeichnung der Prüfstation,
- eindeutige Bezeichnung des Prüfkörpers.

Durch eine gezielte Datenextraktion aus dem Gesamtdatenbestand lässt sich bei Bedarf die Betrachtung auf eine Fertigungs- oder eine Prüfstation reduzieren. Auf diese Weise können die Daten hinsichtlich stationsspezifischer Referenzintervalle, Prüfkörper- und Fehlstellenausprägungen gefiltert werden. Voraussetzung hierfür ist, dass eine ausreichende Anzahl fehlstellenbezogener Datensätze der jeweils fokussierten Fertigungs- oder Prüfstation zugeordnet werden kann.
Die Berücksichtigung des anisotropen Temperaturleitverhaltens von Faserverbundstrukturen erfordert mindestens die Betrachtung sämtlicher thermografischer Fehlstellenorientierungen sowohl längs als auch quer zu jeder auftretenden Faserorientierung, innerhalb der obenstehend beschriebenen Sicherheitsumgebung. Dies führt dazu, dass sämtliche Extremfälle hinsichtlich einer anisotropiebedingten Variation der thermografischen Fehlstellensichtbarkeit (siehe 23) durch einen Prüfparametersatz zutreffend abgebildet werden. Im Gegensatz dazu bewirkt eine hinsichtlich des Temperaturleitverhaltens isotrope Materialcharakteristik der zu prüfenden Struktur (z. B. Vollmaterial) orientierungsunabhängige und damit vergleichbare Fehlstellensichtbarkeiten. Dies ermöglicht eine beliebige Festlegung zu betrachtender Fehlstellenorientierungen.
Der Referenzierungsprozess zur Generierung eines fehlstellenbezogenen Datensatzes erfolgt auf Basis eines defektbehafteten sowie eines defektfreien Bauteils. Die thermografische Untersuchung des defektfreien Bauteils ermöglicht die Abgrenzung thermografisch homogener Zonen beziehungsweise die Ermittlung potenziell möglicher Positionen und Laufrichtungen (Orientierungen) sowie der jeweils maximal möglichen Ausdehnung von Auswertelinien auf der Prüfkörperoberfläche, unter Erfüllung des Referenzkriteriums, wie obenstehend erläutert.
Eine Überprüfung der anregungsfrequenzspezifischen Referenzkontrastgebung innerhalb eines zu untersuchenden, strukturell homogenen Bauteilbereiches, ist nicht erforderlich. Grund hierfür ist, dass lediglich Phasenkontrastwerte an thermografisch detektierbaren Fehlstellengrenzen bestimmt werden. Hierbei ist der Phasenkontrast, unabhängig von dem bereichsspezifischen, thermografischen Referenz-Bildrauschen, vergleichbar ausprägt.
Die thermografische Untersuchung des defektbehafteten Bauteils zeigt die entsprechend detektierbaren Fehlstellen sowie deren Fehlstellengrenzen auf. Die computertomografische Untersuchung des defektbehafteten Bauteils ermöglicht die Abgrenzung strukturell homogener Bereiche, unter Berücksichtigung der thermografischen Anregungsfrequenz und der hiermit verbundenen thermischen Eindringtiefe.
Unter Korrelation der computertomografischen und der thermografischen Ergebnisse, lassen sich Abschnitte von Fehlstellengrenzen spezifizieren, die sich vollständig innerhalb strukturell homogener Bereiche befinden. Hier werden Fehlerlinien in den jeweils zulässigen Laufrichtungen eingezeichnet und vollständig angepasst, wie obenstehend erläutert. Die resultierende Fehlerlinienlänge darf die, auf Basis der thermografischen Bilddaten des defektfreien Bauteils ermittelte, maximal zulässige, anregungsfrequenz- und orientierungsspezifische Linienausdehnung nicht überschreiten.
Ziel ist es, möglichst viele (thermografische) Fehlstellenorientierungen und Fehlstellentiefen innerhalb eines Prüfkörpers mithilfe möglichst weniger Einzelmessungen zu untersuchen, um eine große Anzahl fehlstellenbezogener Datensätze mit geringem Prüfaufwand zu generieren. Die konkreten Fehlstellentiefen werden anhand der computertomografischen Bilddaten, in den jeweiligen Hauptschnittebenen ermittelt, wie obenstehend erläutert.
Im darauffolgenden Schritt werden Schnittebenen sowohl längs als auch quer zur Laufrichtung sämtlicher Fehlerlinien, auf Basis der bereits generierten computertomografischen Bilddaten des defektbehafteten Bauteils, untersucht. Hierbei erfolgt die Überprüfung der Kriterien bezüglich Fehlstellenebenheit sowie Ununterbrochenheit der Fehlstelle innerhalb der entsprechenden Sicherheitsumgebung. Zudem ist im Rahmen der Untersuchung der Hauptschnittebenen für jede thermografische Anregungsfrequenz sicherzustellen, dass sich die polynomialen Extrema 2 der Phasenwertexporte sämtlicher Fehlerlinien innerhalb eines defektbehafteten Strukturbereiches befinden (siehe 17).
Sind alle genannten Kriterien erfüllt, können auf Basis der computertomografischen Daten (in der jeweiligen Hauptschnittebene) sowie der thermografischen Daten (Phasenwertexport entlang der jeweiligen Fehlerlinie und resultierender Phasenkontrast) sämtliche erforderlichen, fehlstellenbezogenen Parameterwerte bestimmt werden. Diese lassen sich gemeinsam mit den zugehörigen, strukturbezogenen Parameterwerten sowie den vorliegenden Parameterwerten hinsichtlich der thermografischen Anregung und Detektion dokumentieren. Sofern nicht alle struktur- und fehlstellenbezogenen Parameterwerte computertomografisch erkannt werden, besteht zudem die Möglichkeit einer mikroskopischen Schliffbilduntersuchung entlang der jeweiligen Hauptschnittebene.
Anschließend beginnt der Referenzierungsprozess bezüglich fehlstellenbezogener Daten auf Basis eines weiteren, defektbehafteten Bauteils von Neuem. Liegt dem Bauteil ein Serienproduktionsprozess zugrunde (äquivalent ausgeprägte Bauteile), so entfällt die thermografische Untersuchung eines neuen, defektfreien Bauteils. Strukturell sowie thermografisch homogene Bereiche des Bauteils sind bereits bekannt, sodass lediglich eine computertomografische Untersuchung längs und quer zur Laufrichtung von Fehlerlinien auf den Thermogrammen des defektbehafteten Bauteils erforderlich ist. 25 zeigt die Generierung fehlstellenbezogener Daten auf Basis eines defektbehafteten Bauteils an einer Prüfstation, hinsichtlich einer thermografischen Anregungsfrequenz (ein gesondertes Phasenbild).
Bereitstellungsprozess:
Im Vorfeld der Nutzung eines Prüfparametersatzes sind zunächst die jeweils zugehörigen, strukturell homogenen Bereiche des zu prüfenden Bauteils zu spezifizieren. Möglichkeiten hierfür stellen die Analyse technischer Zeichnungen oder die Untersuchung eines CAD-Modells des Bauteils dar. Alternativ können strukturell homogene Zonen mithilfe der Computertomografie bestimmt werden.
Anschließend erfolgt eine Eingabe der relevanten, realen Fehlstellenausdehnung (Fehlstellenbreite b_F) sowie der strukturbezogenen Parameter, zu untersuchender, strukturell homogener Bereiche der Gesamtkomponente, in das zukünftige, wissensbasierte System. Optional kann das zu verwendende thermografische Prüfequipment, der gewünschte Versuchsaufbau, oder auch die gewünschte Anregungsfrequenz genannt werden.
Unter Berücksichtigung der minimal erforderlichen Fehlstellenauflösung, wie obenstehend erläutert, kann eine Warnung erfolgen, sofern die gewünschte Positionierung und Orientierung der Thermografiekamera zu einem Unterschreiten der minimal erforderlichen Fehlstellenauflösung führt. Zudem kann vor einer zu geringen Fehlstellensichtbarkeit der relevanten Fehlstellenausprägung bei der gewünschten Anregungsfrequenz gewarnt werden.
Alternativ kann das wissensbasierte System geeignete thermografische Systemkomponenten und Anregungsfrequenzen für die vorliegende Prüfaufgabe nennen sowie einen oder mehrere Vorschläge bezüglich möglicher Positionierungen und Orientierungen der Thermografiekamera, unter Berücksichtigung der minimal erforderlichen Fehlstellenauflösung unterbreiten. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass bereits eine aus statistischer Sicht ausreichende Anzahl von Datensätzen bezüglich des entsprechenden, thermografischen Prüfequipments sowie bezüglich der entsprechenden Anregungsfrequenzen existiert.

Die allgemeine Anforderung hinsichtlich einer ausreichenden Datensatzanzahl wurde bereits beschrieben und soll im weiteren Verlauf anhand eines Beispiels konkretisiert werden. Tabelle 1 beschreibt den zugrundeliegenden Lagenaufbau eines ebenen FVK-Grundkörpers. Tabelle 1: Quasiisotroper, symmetrischer Standard-Lagenaufbau eben ausgeprägter, manuell gefertigter Probekörper

Lagen-Nr.	Material	Bezeichnung	Faserorientierung
1	Gewebe	CE 8201 KDK E201	±45°
2	unidirektional	CE 1250-230-39 E201	90° (horizonal)
3	Gewebe	CE 8201 KDK E201	±45°
4	Gewebe	CE 8201 KDK E201	0°/90°
symmetrischer Lagenaufbau

Liegt ein FVK-Grundkörper mit dem in Tabelle 1 beschriebenen Standard-Lagenaufbau vor, so ergeben sich zunächst vier verschiedene, zu betrachtende (thermografische) Fehlstellenorientierungen (0°, 45°, -45° und 90°). Da jede dieser Fehlstellenorientierungen auch im Zuge eines um 180° gedrehten Orientierungswinkels in dem FVK-Grundkörper auftreten kann, ohne zu einer veränderten Fehlstellensichtbarkeit zu führen, sind unter Ausschluss strukturbedingter Einschränkungen, insgesamt acht Fehlstellenorientierungen möglich (0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270° und 315° = -45°). Der Orientierungswinkel einer Fehlstellengrenze φ_F,herm wird hierbei bezüglich der y-Achse des ROI-internen Koordinatensystems angegeben.
Die halbe thermografische Fehlstellenbreite der zu detektierenden, relevanten Fehlstellenausdehnung stellt den ausschlaggebenden Parameterwert hinsichtlich einer Prognose der thermografischen Detektierbarkeit auf der Prüfkörperoberfläche dar. Dies bedeutet, dass mindestens die halbe thermografische Fehlstellenbreite in ihrer jeweiligen Orientierung, auch unter Anwesenheit optionaler struktureller Störkonturen, thermografisch vollständig auf der Prüfkörperoberfläche abbildbar sein muss.
Unter der Annahme variierender thermografischer Fehlstellenausdehnungen, bezüglich einer realen Fehlstellenbreite in einer bestimmten Fehlstellentiefe und Fehlstellenorientierung, stellt die Nutzung der oberen Grenze eines statistischen Vertrauensintervalls zur Bestimmung der halben thermografischen Fehlstellenausdehnung $(\frac{\bar{b_{F, t h e r m}}}{2} + 1,96 \cdot σ)$
eine ausreichend ausgeprägte, thermografische Abbildbarkeit der Fehlstelle auf der Prüfkörperoberfläche sicher.
26 verdeutlicht diesen Zusammenhang exemplarisch, für den Fall eines ebenen FVK-Grundkörpers mit einer orientierungsunabhängigen (thermografischen) Fehlstellenausdehnung, in schematischer Form. Je nach vorliegendem Abstand des ROI-Zentrums C von einer Störkontur sind sämtliche vollständig auf der Oberfläche des FVK-Grundkörpers thermografisch abbildbaren Fehlstellenausdehnungen in ihrer jeweiligen Fehlstellenorientierung hinsichtlich der jeweils erreichbaren Fehlstellensichtbarkeiten zu berücksichtigen (unterbrochen / gestrichelt gezeichnete Pfeile). Im Gegensatz dazu werden Fehlstellenorientierungen, die zu einer Überlagerung ihrer zugehörigen, halben thermografischen Fehlstellenbreite mit einer Störkontur führen, von der Betrachtung ausgeschlossen (ununterbrochen / durchgängig gezeichnete Pfeile).
Eine konservative Betrachtung der erreichbaren Fehlstellensichtbarkeit je Pixelposition erfordert die Annahme eines, aus statistischer Sicht gering ausgeprägten, orientierungsabhängigen Fehlerkontrastes, welcher durch die untere Grenze des jeweiligen Fehlerintervalls beschrieben wird. Die Tatsache, dass die relevante Fehlstellenausdehnung in sämtlichen, potenziell möglichen Fehlstellenorientierungen auftreten kann, erfordert ferner die Nutzung des orientierungsspezifisch minimalen, unteren Grenzwertes sämtlicher, zu berücksichtigender Fehlerintervalle. Ein entsprechendes Fehlerintervall beschreibt ein Fehlerkontrast-Toleranzfeld von ±1,96 · σ, ausgehend von dem jeweiligen Fehlerkontrast-Mittelwert.
Die kombinierte Betrachtung unterschiedlicher (thermografischer) Fehlstellenorientierungen ermöglicht die Annahme einer als Scheibe abstrahierten Fehlstelle mit einem Fehlstellenzentrum F_abstrahiert sowie einer orientierungsspezifischen Ausdehnung. Diese entspricht der, um die 1,96-fache Standardabweichung erweiterten, gemittelten (halben) thermografischen Fehlstellenbreite, ausgehend von F_abstrahiert, unter Vorgabe einer spezifischen, relevanten und damit zu detektierenden, (halben) realen Fehlstellenbreite in einer bestimmten Fehlstellentiefe. Da im Zuge der Fehlstellenabstraktion eine konkrete (in diesem Fall vereinfachte) Fehlstellenform angenommen wird, kann für jede zu betrachtende Fehlstellentiefe die strukturbedingt bestmögliche, orientierungsspezifische Fehlstellensichtbarkeit als prognostizierte Sichtbarkeit der gesamten, abstrahierten Fehlstelle angenommen werden. Grund hierfür ist, dass der Prüfende die festgelegte Fehlstellenform theoretisch in jeder möglichen Orientierung und hierbei mit der bestmöglichen Fehlstellensichtbarkeit erkennen kann, sofern es die strukturelle Beschaffenheit des Prüfkörpers zulässt. Eine konservative Betrachtung der Fehlstellensichtbarkeit erfordert in diesem Zusammenhang jedoch weiterhin die Annahme der unteren Grenze sämtlicher, orientierungsspezifischer Fehlerintervalle der betrachteten Fehlstelle.
27 verdeutlicht die abstrahierte Betrachtungsweise einer Fehlstelle auf Basis des in 26 gezeigten Szenarios. Es wird angenommen, dass die als Scheibe abstrahierte Fehlstelle mit dem Fehlstellenzentrum F_{abstrahiert.2} eine bestmögliche Fehlstellensichtbarkeit bei einer thermografischen Fehlstellenorientierung φ_F,therm von 0° beziehungsweise 180° (vertikale Orientierung der Fehlstellengrenze) besitzt. Bestünde strukturbedingt die Möglichkeit, sämtliche Fehlstellenorientierungen zu berücksichtigen, würde die bestmögliche Fehlstellensichtbarkeit für eine (abstrahierte) Fehlerlinienorientierung φ_{lin,abstrahiert} von 90° beziehungsweise 270° erreicht werden. Eine Fehlerlinienorientierung von 270° kann jedoch im Rahmen des in 27 dargestellten Szenarios aufgrund der Überdeckung mit einer Störkontur nicht berücksichtigt werden. Es verbleibt somit eine Fehlerlinienorientierung von 90°, unter der die abstrahierte Fehlstelle mit einer bestmöglichen, jedoch störkonturbedingt reduzierten Fehlstellensichtbarkeit detektiert werden kann (fettgedruckter, gestrichelt/ unterbrochen dargestellter Pfeil).
Die letztendliche Ausgabe eines spezifischen Prüfparametersatzes kann durch unterschiedliche Benutzereingaben gesteuert werden. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, eine minimal zu erreichende Fehlstellensichtbarkeit SNR_min vorauszusetzen, um anschließend entsprechende Vorschläge hinsichtlich der hierfür erforderlichen Prüfkonfiguration zu erhalten. Ist die minimale, detektierbare Fehlstellenausdehnung b_F,min bei vorgegebenem Prüf-Setup und vorgegebener, zu erreichender Fehlstellensichtbarkeit von Interesse (Annahme einer abstrahierten, scheibenförmigen Fehlstellenausprägung), so ist die obere Grenze des statistischen Vertrauensintervalls hinsichtlich der halben realen Fehlstellenbreite $(\frac{\bar{b_{F}}}{2} + 1,96 \cdot σ),$
in der jeweiligen Fehlstellenorientierung zu betrachten. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die realen Fehlstellenbreiten, welche dem zur Verfügung gestellten Prüfparametersatz zugrunde liegen, statistisch betrachtet kleiner und damit zwangsläufig im Zuge des Referenzierens thermografisch schlechter sichtbar waren, als es die zu detektierende, relevante Fehlstellenausdehnung im späteren Prüfprozess, unter Anwendung des entsprechenden Prüfparametersatzes, sein wird.
Durch die Festlegung einer personalisierten Sichtbarkeitsgrenze SNR_pers, ab der ein Prüfender in der Lage ist, die relevante Fehlstellenausprägung mit ausreichender Sicherheit zu erkennen, lässt sich eine Detektionswahrscheinlichkeit (englisch: probability of detection, POD) ableiten, die die Erfahrung beziehungsweise die Fähigkeiten des jeweiligen Prüfenden berücksichtigt. Die POD ergibt sich aus der Division der Anzahl n_sichtbar sämtlicher Fehlerkontrastwerte, welche eine für den Prüfenden sichtbare Fehlstelle beschreiben (SNR > SNR_min für SNR_min > SNR_pers oder SNR > SNR_pers für SNR_min < SNR_pers), durch die Gesamtanzahl n_gesamt sämtlicher existierender Fehlerkontrastwerte (siehe Gleichung 1.17). Aufgrund der Abhängigkeit des SNR von der Orientierung der Fehlstellengrenze, existiert für jede zu berücksichtigende Fehlstellenorientierung eine gesonderte POD. $P O D = \frac{n_{s i c h t b a r}}{n_{g e s a m t}} \cdot 100 [%]$
28 verdeutlicht exemplarisch die Bestimmung anregungsfrequenzspezifischer Detektionswahrscheinlichkeiten auf Basis der personalisierten Sichtbarkeitsgrenze SNR_pers des Prüfenden (hier: SNR_pers = 1, jeweils drei Fehlerlinien an vier gesonderten Delaminationen eines Probekörpers, Fehlstellentiefe 2-3, Lagenaufbau des Probekörpers nach Tabelle 1).
Sowohl die Detektionswahrscheinlichkeit als auch die erreichbare Fehlstellensichtbarkeit ließe sich bei Bedarf als Zusatzinformation für jede Pixelposition des thermografischen Live-Bildes der zu untersuchenden Prüfzone einblenden (Aspekt der erweiterten Realität). Wird zudem eine bestimmte Prüfkonfiguration oder Prozesszeit für den beabsichtigten Prüfprozess vorausgesetzt (Korrelation der Prozesszeit mit der Anregungsfrequenz), so kann zudem eine Warnung erfolgen, wenn im Rahmen der Nutzung der voreingestellten Prüfkonfiguration das Erreichen der gewünschten Fehlstellensichtbarkeit oder POD gefährdet, oder nicht möglich ist. Hierbei ist die niedrigste, orientierungsspezifisch auftretende POD, in sämtlichen zu untersuchenden Lagentiefen des Prüfkörpers entscheidend.
Ergänzend zu der Angabe anregungsfrequenzspezifischer Fehlstellensichtbarkeiten und Detektionswahrscheinlichkeiten besteht die Möglichkeit, sämtliche Fehlerkontrastdaten mit der jeweils erforderlichen Messzeit zu gewichten. Auf diese Weise lassen sich Aussagen hinsichtlich einer ausreichenden Fehlstellensichtbarkeit unter der Voraussetzung einer möglichst kurzen Messzeit treffen und auf diese Weise bestimmte Anregungsfrequenzen priorisieren. Entsprechende Ausführungen finden sich in Jelinek et al. (2015b - Jelinek, M.; Schilp, J.; Reinhart, G.: Optimised Parameter Sets for Thermographic Inspection of CFRP Metal Hybrid Components. CIRPe 2015 - Understanding the life cycle implications of manufacturing. Cranfield (UK): Elsevier 2015).
Um sicherzustellen, dass sich das gewünschte Prüf-Setup sowie die an der jeweiligen Prüfstation vorherrschenden Prüfbedingungen (z. B. Umgebungstemperatur, Temperatur der Prüfkörperoberfläche bei Messbeginn) für die Anwendung eines bestimmten Prüfparametersatzes eignen, bietet sich die Etablierung einer Trainingsphase an, die dem Prüfprozess vorgelagert ist. In dieser Trainingsphase werden auf statistischer Basis mindestens 20 defektfreie Referenzprüfkörper hinsichtlich des thermografischen Bildrauschens untersucht. Die Prüfkörper besitzen die äquivalente FVK-Grundkörperausprägung wie die Prüfkörper, die es im späteren Prüfprozess zu untersuchen gilt.
Hinsichtlich jedes Referenzprüfkörpers sowie jeder, im Rahmen des späteren Prüfprozesses geplanten Anregungsfrequenz, sind aus statistischen Gründen mindestens 20 Referenzkontrastwerte zu bestimmen. Liegen mindestens 95 Prozent der ermittelten Referenzkontrastwerte je Referenzprüfkörper und Anregungsfrequenz innerhalb des durch den bereitgestellten Prüfparametersatz beschriebenen Referenzintervalls (größte Toleranzfeldbreite unter Betrachtung des oberen Grenzwertes: $\bar{P K_{R e f}} + 1,96 \cdot σ),$
so kann das Prüf-Setup sowie die Prüfumgebung bezüglich der Anwendung des entsprechenden Prüfparametersatzes als geeignet angesehen werden.
Die Trainingsphase lässt sich bei Bedarf in bestimmten Zeitabständen wiederholen, um kontinuierlich eine Eignung des bestehenden Prüf-Setups hinsichtlich der Prüfparametersatzanwendung sicherzustellen.
Sofern sich innerhalb der zu untersuchenden Prüfzone ein oder mehrere Elemente der Kategorie A sowie optionale Randzonen befinden, ist im Vorfeld eines Serienprüfprozesses ein Normalisieren des entsprechenden strukturellen Bereiches erforderlich, um auch innerhalb der auftretenden thermischen Einflusszone(n) Fehlstellensichtbarkeiten und Detektionswahrscheinlichkeiten zu gewährleisten, wie sie durch den bereitgestellten Prüfparametersatz beschrieben werden. Die Generierung einer Abweichungskarte kann im Rahmen der soeben beschriebenen Trainingsphase erfolgen, da hierbei ohnehin bereits eine ausreichende Anzahl äquivalent ausgeprägter Prüfkörper thermografisch untersucht wird, für die der Prüfparametersatz bereitgestellt wird. 29 a und 29 b fassen den gesamten Prozess der Bereitstellung und Anwendung eines Prüfparametersatzes zusammen. Hierbei wird angenommen, dass sämtliche Lagentiefen eines strukturell homogenen Bereiches zu untersuchen sind.
Vorteile gegenüber dem Stand der Technik
Ein reiner Kostenvergleich unterschiedlicher Szenarien lässt einen konventionellen, thermografischen Prüfprozess aus rein finanziellen Gesichtspunkten zunächst deutlich günstiger erscheinen, als die Generierung statistisch abgesicherter, thermografischer Daten mit anschließender Integration in eine Wissensbasis. Jedoch ist in diesem Zusammenhang zu bedenken, dass durch eine konventionelle Prüfung und Dokumentation der Ergebnisse keine Wissensspeicherung erfolgt und damit keine Möglichkeit der Wissensweitergabe an neue Prüfstationen existiert, die sich mit einem vergleichbaren Prüfproblem konfrontiert sehen.
Des Weiteren sind keine fundierten Aussagen hinsichtlich einer erreichbaren Fehlstellensichtbarkeit oder Detektionswahrscheinlichkeit einer bestimmten Fehlstellenausprägung in einer bestimmten Lagentiefe eines Faserverbund-Grundkörpers möglich. Diese Tatsache führt zu starken Unsicherheiten hinsichtlich der Detektierbarkeit einer bestimmten Fehlstellenausprägung und der damit verbundenen technischen Machbarkeit eines zu etablierenden beziehungsweise durchzuführenden, thermografischen Prüfprozesses. Allein aus diesem Grund kann eine umfangreiche, statistisch abgesicherte Datengenerierung mit anschließender Datenspeicherung in einer Wissensbasis bereits als Iohnenswert charakterisiert werden.
Eine ausführliche Szenarioanalyse hat ergeben, dass die szenariospezifischen Kosten hinsichtlich der Fertigung und thermografischen Untersuchung einer erforderlichen Anzahl an Prüfkörpern deutlich variieren. Sämtlichen betrachteten Szenarien ist jedoch gemein, dass nach einmaliger Aufwendung dieser Kosten, der erzeugte Parametersatz beliebig oft weiterverwendet werden kann. Die Amortisation des Aufwandes zur Generierung eines Parametersatzes im Laufe der Zeit liegt damit auf der Hand.
Um den bereits erfolgten Referenzierungsprozess eines Parametersatzes zusätzlich gegenzufinanzieren, kann eine einmalige Nutzungsgebühr für den Abruf des jeweiligen Parametersatzes von der anfragenden Prüfstation erhoben werden. Dies würde den Amortisationsprozess erheblich beschleunigen.
Durch eine automatisierte thermografische und computertomografische Bildauswertung kann somit eine deutliche Reduktion der Referenzierungskosten erreicht werden. Dies führt letztendlich zu einer geringeren Bereitstellungsgebühr und damit zu reduzierten Kosten für den jeweiligen Nutzer.
Zum aktuellen Zeitpunkt ist eine Automatisierung der thermografischen Bildauswertung noch nicht erfolgt - sie ist jedoch durchgehend umsetzbar. Um dennoch die Attraktivität eines wissensbasierten Vorgehens zu erhöhen, bietet es sich an, eine Amortisierung der Referenzierungskosten etwas hinauszuzögern und eine geringere Bereitstellungsgebühr anzusetzen. Letztendlich wird ein Kompromiss zwischen den, im Zuge des Referenzierungsprozesses aufzuwendenden Kosten und einer bezahlbaren Bereitstellung der generierten Daten erforderlich sein. Fakt ist und bleibt jedoch: Diejenigen Unternehmen, denen es gelingt, ihr Erfahrungswissen zu speichern und anschließend optimal sowie zielgerichtet zu nutzen, werden von einer besseren Produktivität und damit von einem höheren Unternehmenserfolg profitieren (Pircher 2010, S. 6 - Pircher, R. (Hrsg.): Wissensmanagement Wissenstransfer Wissensnetzwerke. Konzepte Methoden Erfahrungen. Erlangen: Publics Publishing 2010).
Da die zerstörungsfreie Bauteilprüfung mithilfe der optischen Lockin-Thermografie auf der Analyse von Laufzeiten der thermischen Welle basiert, wäre schließlich eine Übertragbarkeit der vorliegenden Methodik auf weitere Lockin-basierte, thermografische Prüfmethoden (Variation der thermografischen Anregungsquelle) sowie allgemein auf weitere zerstörungsfreie Prüfmethoden denkbar. Eines dieser Prüfverfahren stellt beispielsweise die Ultraschallprüfung dar, deren Grundprinzip auf der Messung der akustischen Laufzeit von Schall basiert.
Kurzfassung
Die Erfindung beschreibt eine statistisch abgesicherte Methodik zur Ermittlung der thermografischen Fehlstellensichtbarkeit und Detektionswahrscheinlichkeit einer bestimmten Fehlstellenausprägung, innerhalb eines sowohl strukturell als auch thermografisch homogenen Faserverbund-Grundkörpers, mithilfe der optischen Lockin-Thermografie. Die Methodik berücksichtigt in diesem Zusammenhang die optionale Existenz hybrider Verbindungszonen und den damit verbundenen Materialmix der zu prüfenden Gesamtkomponente.
Es wird zunächst das thermografische Bildrauschen innerhalb eines defektfreien Bereiches des Faserverbund-Grundkörpers eines Prüfteils in Form einer, aus statistischer Sicht ausreichend hohen Anzahl an Referenzkontrast-Einzelwerten bestimmt. Diese Werte resultieren in der Festlegung anregungsfrequenzspezifischer „Referenzintervalle“. Daraufhin erfolgt die Ermittlung weiterer Phasenkontrastwerte an den Fehlstellengrenzen einer relevanten Fehlstellenausprägung, innerhalb einer spezifischen Faserverbund-Grundkörper-Strukturausprägung. Unter Nutzung eines, aus statistischer Sicht hoch ausgeprägten Referenzkontrastwertes innerhalb des Referenzintervalls (vergleichsweise starkes Rauschen oder Bildrauschen), lässt sich ein Worst-Case-Szenario hinsichtlich Fehlstellensichtbarkeit ableiten. Die letztendliche Fehlstellensichtbarkeit wird durch den so genannten Fehlerkontrast charakterisiert, welcher sich durch die Division eines Phasenkontrast-Einzelwertes durch einen aus statistischer Sicht hoch ausgeprägten Referenzkontrastwert ergibt.
Maldague (1993, S. 123 - Maldague, X. P. V.: Nondestructive evaluation of materials by infrared thermography. London: Springer 1993. ISBN: 3-540-19769-9.) führt eine allgemeine Definition des Fehlerkontrastes (SNR, engl.: signal-to-noise ratio) an, die im Rahmen der erarbeiteten Methodik unter Berücksichtigung der Ausführungen von Balageas et al. (2010, S. 2 - Balageas, D. L.; Chapuis, B.; Deban, G.; Passilly, F.: Quantitative assessment of the improvement of the detection of defects by pulse thermography thanks to the TSR approach in the case of a smart composite repair patch. QIRT 2010. Quebec (Kanada): 2010), wie in Jelinek et al. (2015a, S. 213 - Jelinek, M.; Seidel, C.; Reinhart, G.: Thermographic Inspection of CFRP Metal Hybrid Components. CIRPe2015. Cranfield (England). In: Procedia CIRP 37 (2015). Amsterdam (Niederlande): Elsevier 2015, pp. 211-217) gezeigt, adaptiert wird.
Die Sammlung einer ausreichenden Anzahl von Fehlerkontrastwerten bezüglich einer relevanten Fehlstellenausprägung (Fehlstellenbreite, Fehlstellentiefe), auf Basis gesonderter Fehlstellen, resultiert in einer Detektionswahrscheinlichkeit bezüglich dieser relevanten Fehlstellenausprägung.
Die Berücksichtigung mehrerer Fertigungs- und Prüfstationen erlaubt eine statistische Absicherung der abgeleiteten Fehlstellensichtbarkeit und Detektionswahrscheinlichkeit hinsichtlich Prozessschwankungen im Fertigungs- und Prüfprozess und damit eine fundierte und umfassende Aussage mit stark ausgeprägtem Realitätsbezug.
Letztendlich können durch die Anwendung bereits im Vorfeld gespeicherter, thermografischer Prüfparametersätze, statistisch abgesicherte Aussagen bezüglich der Detektionssicherheit hinsichtlich einer relevanten Fehlstellenausprägung getroffen werden. Durch gezielte Datenauswahl kann zudem die erforderliche Prüfprozesszeit optimiert oder die Betrachtung auf eine Fertigungs- bzw. Prüfstation fokussiert werden.
Die Generierung der erforderlichen Parametersätze (Referenzierungsprozess) kann im Rahmen eines Ringversuches erfolgen. Hierbei wird eine ausreichende Anzahl erforderlicher Prüfkörper an unterschiedlichen Fertigungsstationen hergestellt und anschließend an verschiedenen Prüfstationen thermografisch untersucht.
Die in diesem Zusammenhang erzeugten Parametersätze lassen sich zukünftig in eine Wissensbasis integrieren, welche erweiterbar gestaltet und kontinuierlich verbessert werden kann.
Weitere Hinweise zur Anwendung eines gespeicherten und bereitgestellten Endprüfparametersatzes im Rahmen eines (Serien-)Prüfprozesses
Um sicherzustellen, dass sich das gewünschte Prüf-Setup sowie die an der jeweiligen Prüfstation vorherrschenden Prüfbedingungen (z. B. Umgebungstemperatur, Temperatur der Prüfkörperoberfläche bei Messbeginn) für die Anwendung eines bestimmten Prüfparametersatzes eignen, bietet sich die Etablierung einer Trainingsphase an, die dem Prüfprozess vorgelagert ist. In dieser Trainingsphase werden auf statistischer Basis mindestens 20 defektfreie Referenzprüfkörper hinsichtlich des thermografischen Bildrauschens untersucht. Die Prüfkörper besitzen die äquivalente FVK-Grundkörperausprägung wie die Prüfkörper, die es im späteren Prüfprozess zu untersuchen gilt.
Hierbei sind hinsichtlich jedes Referenzprüfkörpers sowie jeder, im Rahmen des späteren Prüfprozesses geplanten Anregungsfrequenz, aus statistischen Gründen mindestens 20 Referenzkontrastwerte zu bestimmen. Liegen mindestens 95 Prozent der ermittelten Referenzkontrastwerte je Referenzprüfkörper und Anregungsfrequenz innerhalb des durch den bereitgestellten Prüfparametersatz beschriebenen Referenzintervalls (größte Toleranzfeldbreite unter Betrachtung des oberen Grenzwertes: PK_Ref + 1,96 · σ), so kann das Prüf-Setup sowie die Prüfumgebung bezüglich der Anwendung des entsprechenden Prüfparametersatzes als geeignet angesehen werden.
Offenbart ist ein Verfahren zur Auswertung von Lockin-Thermografie Phasenbildern von, insbesondere hybridausgeprägten, Probekörpern, wie beispielsweise Faserverbundbauteilen, vorgesehen. Dieses dient zur - insbesondere statistisch abgesicherten - Erkennung, Charakterisierung und Quantifizierung von Fehlstellen der Probekörper. Vorzugsweise sind hierfür geeignet definierte Kennzahlen und/oder Parameter vorgesehen. Bei dem Verfahren werden vorzugsweise folgende Verfahrensschritte eingesetzt:

Bereitstellen oder Herstellen zumindest eines oder einer Mehrzahl von Basis-Referenzkörpern. Vorzugsweise ist zumindest ein Strukturausschnitt des Basis-Referenzkörpers und/oder der Basis-Referenzkörper bezüglich thermografisch detektierbarer Fehlstellen defektfrei.

In einem weiteren Schritt erfolgt ein Erfassen von zumindest einem Phasenbild des Basis-Referenzkörpers, unter Anwendung zumindest einer oder mehrerer Anregungsfrequenz/en erfolgen, wobei die Lockin-Thermografie eingesetzt wird. In weiterer Ausgestaltung werden bei einem Basis-Referenzkörper GB, falls ein, insbesondere flächiges, Zusatzelement vorgesehen ist, im Phasenbild, insbesondere unter Beachtung des Zusatzelements , neben einer reinen, strukturellen Homogenität des Referenzkörpers, thermografisch homogene Zonen ausgebildet oder ausgebildet sein, innerhalb derer eine homogene Phasenbildgebung erfolgt. Die Zonen werden über ein Referenzkriterium voneinander abgegrenzt. Die sowohl strukturell als auch thermografisch homogenen Zonen werden als Prüfzonen (Region of Interest - ROI) deklariert und gesondert betrachtet. Auf Basis der Prüfzonen kann ein bestimmter, homogener Grundkörperaufbau definiert werden. Vorzugsweise kann dann über die Prüfzonen die Kalibrierung der Messtechnik der Lockin-Thermografie erfolgen.
In einem weiteren Schritt kann vorzugsweise ein Auswerten zumindest eines Phasenbilds des Prüfkörpers erfolgen. Insbesondere können aus den Prüfzonen Kennzahlen oder Parameter ermittelt werden, die mit entsprechenden Kennzahlen oder Parametern des Phasenbilds eines gegebenenfalls defektbehafteten Prüfkörpers verglichen werden. Durch den Vergleich können auf einfache Weise Fehlstellen ermittelt und charakterisiert werden.

Claims

Verfahren zur Auswertung von Lockin-Thermografie Phasenbildern von Probekörpern umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Bereitstellen zumindest eines Basis-Referenzkörpers GA, wobei dieser hinsichtlich seiner strukturellen Ausgestaltung dem zu untersuchenden Prüfkörper entspricht und/oder wobei zumindest ein vorbestimmter Strukturausschnitt des Basis-Referenzkörpers GA hinsichtlich seiner strukturellen und räumlichen Ausgestaltung einem jeweilig entsprechend vorgesehenen Strukturausschnitt des Prüfkörpers entspricht, wobei, falls der Prüfkörper und/oder der Strukturausschnitt des Prüfkörpers zumindest ein Zusatzelement B aufweist, der Basis-Referenzkörper GA ebenfalls das zumindest eine Zusatzelement B in entsprechend räumlicher Anordnung aufweist, und wobei der zumindest eine Strukturausschnitt des Basis-Referenzkörpers GA und/oder der Basis-Referenzkörper GA bezüglich thermografisch detektierbarer Fehlstellen defektfrei ist, - und/oder Bereitstellen eines Basis-Referenzkörpers GB, wobei dieser hinsichtlich seiner strukturellen und räumlichen Ausgestaltung dem zu prüfenden Prüfkörper entspricht und/oder wobei zumindest ein vorbestimmter Strukturausschnitt des Basis-Referenzkörpers GB hinsichtlich seiner räumlichen und strukturellen Ausgestaltung einem jeweilig entsprechend vorgesehenen Strukturausschnitt des Prüfkörpers entspricht, wobei, falls der Prüfkörper und/oder der Strukturausschnitt des Prüfkörpers zumindest ein Zusatzelement B aufweist, der Basis-Referenzkörper GB ebenfalls das zumindest eine Zusatzelement B in entsprechender räumlicher Anordnung aufweist, und wobei, falls der Probekörper und/oder der Strukturausschnitt des Probekörpers zumindest ein Zusatzelement A aufweist, der Basis-Referenzkörper GB ebenfalls das zumindest eine Zusatzelement A in entsprechender räumlicher Anordnung aufweist, und wobei der zumindest eine Strukturausschnitt des Basis-Referenzkörpers GB und/oder der Basis-Referenzkörper GB bezüglich thermografisch detektierbarer Fehlstellen defektfrei ist, - Erfassen von zumindest einem thermografischen Phasenbild des Basis-Referenzkörpers GA und/oder GB oder des Strukturausschnitts des Basis-Referenzkörpers GA und/oder GB unter Anwendung von zumindest einer oder mehrerer Anregungsfrequenzen, wobei bei einem Basis-Referenzkörper GA und/oder GB, falls ein Zusatzelement B vorgesehen ist, im Phasenbild Zonen ausgebildet sind, innerhalb derer eine homogene Veränderung der Phasenbildgebung erfolgt, wobei die Zonen über ein Referenzkriterium voneinander abgegrenzt werden und wobei die Zonen jeweils thermografisch sowie zudem strukturell homogen sind und als Prüfzonen definiert sind oder wobei bei einem Basis-Referenzkörper GA und/oder GB ohne Zusatzelement B - insbesondere unter Berücksichtigung der strukturellen Homogenität - die gesamte Fläche als Prüfzone definiert wird, - Auswerten zumindest eines Phasenbildes des Probekörpers im Bereich der Prüfzone/n durch Vergleich mit der/den Prüfzone/n des Basis-Referenzkörpers GA und/oder GB.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Zusatzelement B ein flächiges Element ist, das vollständig innerhalb des Basis-Referenzkörpers GA und/oder GB angeordnet ist, oder sich auf der Rückseite des Basis-Referenzkörpers GA und/oder GB befindet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Zusatzelement A ein Element ist, das dem Basis-Referenzkörper GB über eine Aussparung hinzugefügt oder auf der dem Detektionssystem zugewandten Oberfläche des entsprechenden Referenzkörpers angebracht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Körper als Faserverbundbauteile ausgebildet sind, wobei insbesondere hybride Strukturausprägungen vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Abweichung der Prüfzone/n der Basis-Referenzkörper GA und/oder GB und der Prüfkörper vom thermografisch homogenen Idealzustand als tolerierbar angesehen ist, wenn diese Abweichung auf typische Materialstrukturen der Basis-Referenzkörper GA und/oder GB und der Prüfkörper basiert.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei als tolerierbare Abweichung eine durch die typischen Materialeigenschaften, insbesondere Webung von Rovings, und/oder auch der entsprechenden Fertigungsprozesse der Prüfkörper hervorgerufene, periodische Phasenwertfluktuation angesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein oder mehrere Übergangsbereich/e zwischen zumindest zwei Prüfzonen ermittelt werden, der/die im Zuge der weiterführenden Auswertung der Phasenbilder unberücksichtigt bleiben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, falls zumindest ein Zusatzelement A in einer Prüfzone vorhanden ist und eine thermische Einflusszone (TEZ) im Phasenbild aufweist, die TEZ über eine Bildbearbeitung eliminiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei folgende Schritte vorgesehen sind: - Bereitstellen zumindest eines Schlecht-Referenzkörpers, wobei dieser hinsichtlich seiner strukturellen und räumlichen Ausgestaltung dem zu untersuchenden Prüfkörper entspricht und/oder wobei zumindest ein vorbestimmter Strukturausschnitt des Schlecht-Referenzkörpers hinsichtlich seiner strukturellen und räumlichen Ausgestaltung einem jeweilig entsprechend vorgesehenen Strukturausschnitt des zu untersuchenden Prüfkörpers entspricht, wobei, falls der Prüfkörper und/oder der Strukturausschnitt des Prüfkörpers zumindest ein Zusatzelement B aufweist, der Schlecht-Referenzkörper ebenfalls das zumindest eine Zusatzelement B in entsprechender räumlicher Anordnung aufweist, und wobei der zumindest eine Strukturausschnitt des Schlecht-Referenzkörpers und/oder der Schlecht-Referenzkörper zumindest eine thermografisch detektierbare Fehlstelle aufweist, wobei basierend auf der Fehlstelle eine Bestimmung fehlstellenbezogener Parameterwerte auf Basis zumindest eines thermografischen Phasenbildes des zumindest einen Schlecht-Referenzkörpers erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Korrelation realer und thermografisch ermittelter, fehlstellenbezogener Parameterwerte unter Berücksichtigung statistischer Gesichtspunkte erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ableitung einer abstrahierten Fehlstellenausprägung auf Basis realer und thermografisch ermittelter, fehlstellenbezogener Parameterwerte unter Berücksichtigung statistischer Gesichtspunkte erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Speicherung und/oder Bereitstellung der generierten Daten in einer oder durch eine Wissensbasis erfolgt.