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Was ist Shearografie?

Die Shearografie, die auch als Scherografie bekannt ist sowie auf EnglischShearography oder Speckle-Pattern-Shearing-Interferometrie genannt wird, ist eine Methode zur Messung und Erkennung vieler verschiedener Defekte in Metallen und Verbundwerkstoffen. Diese zerstörungsfreie Prüftechnik nutzt kohärentes Laserlicht in ähnlicher Weise wie die holografische Interferometrie, um eine visuelle Darstellung eines Prüfobjekts zu erzeugen. Sie wird zur zerstörungsfreien Prüfung (ZfP), Dehnungsmessung und Schwingungsanalyse eingesetzt.

Die von der Shearografie erzeugten interferometrischen Bilder können helfen, Risse, Disbonds, Delaminationen, Aufprallschäden, Porosität, Falten oder andere Schäden zu erkennen. Sie wird sowohl in der Luft- und Raumfahrt als auch für die Untersuchung von Windkraftanlagenflügeln, in der Automobilindustrie und in der Materialforschung eingesetzt.

Wie funktioniert Shearografie?

Die Shearografie verwendet eine Kamera oder eine Reihe von Kameras, um die interferometrischen Eigenschaften einer Oberfläche zu messen. Dabei werden die kohärenten und monochromatischen Eigenschaften des Laserlichts genutzt, um ein Bild der Oberfläche zu erstellen.

Zunächst wird ein Bild der Oberfläche im neutralen oder unbelasteten Zustand aufgenommen. Wenn die Oberfläche nicht völlig glatt ist, erzeugt das von der Oberfläche reflektierte Licht ein Fleckenmuster, das von der Kamera aufgezeichnet wird.

Nach der ersten Aufnahme wird das Material durch eine mechanische Belastung oder eine thermische Erwärmung beansprucht oder angeregt. Diese Belastung führt dazu, dass das Material dehnt und sich eventuelle Defekte noch stärker ausdehnen. Ein zweites interferometrisches Foto wird dann aufgenommen, um die Probe in ihrem neu belasteten und verformten Zustand zu zeigen.

Das zweite Bild zeigt ein anderes Speckle-Muster als das erste und durch Subtraktion vom ersten Bild wird ein shearografisches Streifenmuster, oder Shearogramm, erzeugt. Dieses Shearogramm zeigt die Topographie aller Oberflächendefekte, einschließlich Rissbildung, Ablösung, Delamination, Flüssigkeitseintritt, Porosität und Faltenbildung.

Das charakteristische schwarz-weiße Streifenmuster gibt Aufschluss über die relative Verformung des zu untersuchenden Objekts. Ist das Muster gleichmäßig, so liegen keine Fehlermerkmale vor, ist das Muster jedoch gestört, so liegt ein unterirdischer Fehler vor.

Dieses Verfahren ermöglicht nicht nur die Identifizierung von Defekten, sondern kann auch zur Messung des Ausmaßes der Verformung in Verbundwerkstoffen und metallischen Materialien verwendet werden.

Diese Technik ist auch als zeitliche Phasenverschiebung oder digitale Shearografie bekannt.

Vorteile

Als berührungslose Prüfung mit hohem Abdeckungsgrad bietet die Shearografie eine Reihe von Vorteilen, u.a:

1. Großflächige Prüfung

Die Shearografie ermöglicht die schnelle Prüfung großer Komponenten und Bauteile mit einer Prüfkapazität von bis zu 1 m² pro Minute.

2. Lebenszyklus-Unterstützung

Als zerstörungsfreie Prüfmethode bietet die Shearografie eine schnelle Fehlererkennung und kann für Qualitätskontrollprozesse und die Qualifizierung der strukturellen Integrität von Materialien eingesetzt werden. Dadurch kann sie zur Unterstützung des gesamten Lebenszyklus eines Produkts eingesetzt werden, von der Forschung und Entwicklung über die Qualitätssicherung in der Fertigung bis hin zur Inspektion und dem Betrieb während des Betriebs.

3. Materialverwendung

Shearografiesysteme können für eine Vielzahl von Materialien eingesetzt werden, darunter Kohlefaserlaminate, Keramik, Verbundwerkstoff- und Metallwaben, ummantelte Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen, Bimetalle, Faser-Metall-Laminate, Metall-Metall-Verbindungen, Schaumkerne und Gummi. Besonders hervorzuheben ist die gute Leistung bei Wabenmaterialien, die für viele herkömmliche ZfP-Techniken eine Herausforderung darstellen.

4. Inspektion komplexer Strukturen

Die Shearografie ermöglicht die Inspektion von Bauteilen unabhängig von Materialgröße, Form, Geometrie oder Komplexität auch an schwer zugänglichen Stellen.

5. Erfassungsbereich

Diese Inspektionstechnik bietet eine große Bandbreite an Erkennungsmöglichkeiten sowohl für Metall- als auch für Verbundstrukturen. Zu den Unstetigkeiten, die erkannt werden können, gehören gerissene oder gebrochene Kerne, Risse, Disbonds, Delaminationen, Flüssigkeitseintritt, Kissing Bonds, Porosität, Falten, Reparaturfehler und Schlagschäden. Die Shearografie kann auch verwendet werden, um strukturelle Informationen zu gewinnen, wie z.B. für Schotten, Überlappungen, Lagenabfälle, Rippen, Spleiße und Stringer.

6. Vergleich zu anderen NDT-Techniken

Die Shearografie übertrifft viele andere ZfP-Methoden, wie z.B. Schallemission, Farbeindringverfahren, Wirbelstrom, Magnetpulver, Radiografie und Ultraschallprüfung. Dies liegt daran, dass sie eine Vollfeldmessung, eine hohe Empfindlichkeit, eine einfache Visualisierung, eine hohe Messgeschwindigkeit und eine Echtzeitanzeige der Ergebnisse bietet.

Einschränkungen

Trotz der vielen Vorteile der Shearografie gibt es ein paar potenzielle Einschränkungen:

1. Mögliche Materialbeschädigung

Da das Verfahren erfordert, dass die Probe oder das Material zwischen den beiden aufgenommenen Bildern verformt wird, besteht die Möglichkeit, dass das Bauteil beschädigt wird, wenn die Verformung nicht sorgfältig durchgeführt wird.

2. Kann nicht auf sehr glatten Oberflächen durchgeführt werden

Da die Prüfung eine Oberflächenrauheit von mindestens einer Wellenlänge des Lichts benötigt, um durchgeführt werden zu können, kann die Shearografie nicht auf sehr glatten Oberflächen eingesetzt werden. Sehr glatte Oberflächen liefern zufällige Interferenzen, was zu falschen Prüfergebnissen führt.

3. Komplexität der Interpretation

Die Ergebnisse können schwierig zu interpretieren sein, was bedeutet, dass eine erfahrene Person benötigt wird, um die Ergebnisse einer Shearografieprüfung zu handhaben, um die Streifenmuster genau zu lesen.

Anwendungen

Die Shearografie wird hauptsächlich für die zerstörungsfreie Prüfung auf Fehler in Objekten und Werkstoffen eingesetzt. Aufgrund der vielen Vorteile, die sie bietet, wurde dieses Verfahren von der Automobil- und Luftfahrtindustrie als empfohlene Methode zur Prüfung von Gummi- und Verbundwerkstoffen aufgegriffen.

Das Verfahren wird auch in der Schifffahrts-, Verteidigungs-, Eisenbahn- und Windkraftindustrie eingesetzt, während es auch für Anwendungen wie Textilien und Kunsterhaltung verwendet wird. Die Shearografie ist gut für Verbundwerkstoffe geeignet, und wird aufgrund ihrer Fähigkeit, Gummi zu prüfen, auch zur Untersuchung von Produkten wie Reifen eingesetzt.

Fallstudie des Shearios-Projekts

Ein Beispiel dafür, wo sich die Shearografie als sehr wertvoll erwiesen hat, ist das von Horizon 2020 geförderte Shearios-Projekt. Das Projekt zielte darauf ab, die Effizienz und Sicherheit bei der Inspektion von Windturbinenblättern zu verbessern, indem ein Inspektionsroboter eingesetzt wurde, der Windturbinenblätter mit Shearografie-Tests auf Verschleiß und andere Schäden untersuchen konnte.

Windturbinenblätter sind aufgrund ihrer Betriebsbedingungen und der Umweltkräfte, denen sie ausgesetzt sind, besonders anfällig für Schäden. Sowohl Onshore- als auch Offshore-Windkraftanlagenblätter sind anfällig für Belastungen und unterliegen strengen Wartungs- und Inspektionsvorschriften. Trotzdem sind 85 % der Blattausfälle auf mangelhafte Wartung zurückzuführen, was zu kostspieligen Reparaturen und Stillstandszeiten für die Betreiber führt.

Die Möglichkeit, häufige und zeitsparende Inspektionen durchzuführen, kann helfen, diese Herausforderungen zu bewältigen. Im Shearios-Projekt wurde ein kommerziell praktikables System entwickelt, das nicht nur die Ferninspektion mittels Shearographie ermöglicht, sondern auch die Sicherheit verbessert.

Die Inspektion von Windturbinenblättern kann manuell durchgeführt werden, aber dies ist ein gefährlicher Prozess, bei dem allein in den letzten zehn Jahren 249 Unfälle (darunter 161 Todesfälle) zu verzeichnen waren. Wenn mehr Windturbinen in Betrieb genommen werden, würde die Anzahl der erforderlichen Inspektionen und der damit verbundenen Unfälle nur zunehmen, was bedeutet, dass gerade jetzt ein echter Bedarf für diese Lösung besteht. Außerdem gibt es einen Mangel an qualifizierten Technikern, die manuelle Turbineninspektionen durchführen, was ein weiteres Problem ist, das durch das Shearios-Projekt gelöst wird.

Sie können auf www.shearios.com mehr über das Projekt erfahren.

Das Shearios-Projekt wurde von der Europäischen Union im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 unter der Subventionsvereinbarung Nr. 780662 - H2020-ICT-2017-1 gefördert.

Fazit

Die Shearografie ist eine vielseitige und effektive zerstörungsfreie Prüfmethode, die in der gesamten Industrie immer mehr Anwendung findet. Systeme wie das im Rahmen des Shearios-Projekts entwickelte zeigen, wie diese Methode eine sicherere und effektivere Alternative zu anderen Verfahren darstellen kann.

TWI hat ein optisches Labor mit Shearografie-Fähigkeiten eingerichtet und verfügt über einen großen Erfahrungsschatz bei der Unterstützung unserer Mitglieder bei der Anwendung dieser Technik, die von Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt bis hin zu Brückenträgern, Bootsrümpfen aus Verbundwerkstoffen, Arbeiten in der Öl- und Gasindustrie und Anwendungen in der Energieerzeugung reicht.

Sie können im Artikel „Laser Shearography - Optical NDT Technology“ auf Englisch mehr über das Thema erfahren.

Für weitere Informationen senden Sie bitte eine englischsprachige E-Mail an:

kontakt@twi-deutschland.com