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.