Quantifizierung von Fehlstellen in
teiltransparenten Festkörpern mittels der
Impulsthermografie
vorgelegt von
M.Sc.
Raphael Kim Bernegger
von der Fakultät III - Prozesswissenschaften
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
-Dr.-Ing.-
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss
Vorsitzender: Prof. Dr. Aleksander Gurlo
Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Walter Reimers
Gutachterin: Prof. Dr.-Ing. Birgit Skrotzki
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 24. März 2021
Berlin 2021
Zusammenfassung
Die Impulsthermografie (PT) gehört zu den zerstörungsfreien Prüfverfahren und wird für die
Detektion und Quantifizierung von verdeckten Fehlstellen in einem Bauteil eingesetzt. Bei Mate-
rialien, die im Wellenlängenbereich der optischen Anregungsquelle und der Infrarot(IR)-Kamera
teiltransparent sind, z.B. glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK), können die bestehenden Aus-
wertemethoden der PT nicht angewendet werden, da diese auf mathematischen Modellen ba-
sieren, die opake Materialien beschreiben. Somit muss derzeit für die Quantifizierung der Tiefe
von Fehlstellen in teiltransparenten Prüfobjekten die Prüfobjektoberfläche schwarz beschichtet
werden. Da dies im realen Anwendungsfall oft unerwünscht ist, ist das Ziel dieser Arbeit, neue
thermografische Auswertungstechniken zu entwickeln, mit denen die Quantifizierung von Fehl-
stellen in teiltransparenten Festkörpern ohne eine Oberflächenschwärzung erfolgen kann. Hier-
für werden bereits bekannte mathematische Modelle zur Beschreibung von PT-Experimenten
erweitert und auf teiltransparente Materialien mit Fehlstellen angepasst, sodass durch eine Re-
konstruktion der Messdaten mit Hilfe dieser neuen Modelle die Tiefe von realen Delaminationen
in GFK bestimmt werden kann, ohne dabei die Bauteiloberflächen zu beschichten.
Bei thermografischen Messungen an teiltransparenten Materialien empfängt eine IR-Kamera
Strahlung nicht nur von der Materialoberfläche, wie bei opaken Materialien, sondern zusätzlich
aus dem Volumen. Für die Rekonstruktion von PT-Experimenten an teiltransparenten Materia-
lien wird für die mathematische Modellierung der IR-Kamera nur das Temperaturfeld und nicht
das Strahlungsfeld berücksichtigt. Durch einen Vergleich zwischen der bisher üblichen mathema-
tischen Modellierung und der neu entwickelten Modellierung der IR-Kamera, die das Strahlungs-
feld berücksichtigt, konnte gezeigt werden, dass bei Vernachlässigung des Strahlungsfeldes die
Modellparameter (absorbierte Energie und die Absorptionskoeffizienten) bei der Rekonstruktion
beeinflusst werden können, welche die Heizphase eines PT-Experiments bestimmen. Dies zeigt,
dass die übliche Modellierung im betrachteten Anwendungsfall zwar unter Verwendung effekti-
ver Modellparameter eingesetzt werden kann, die zugrundeliegende Physik aber unzureichend
abbildet. Ein weiterer wichtiger Faktor für die vollständige Modellierung einer IR-Kamera ist die
spektrale Empfindlichkeit des IR-Kamerasystems. Da diese im Allgemeinen nicht bekannt ist,
wurde unter Verwendung von Bandpassfiltern, einem Schwarzkörperstrahler und einem mathe-
matischen Modell ein neues praxisnahes Verfahren entwickelt, mit welchem die spektrale Emp-
findlichkeit von beliebig komplexen IR-Kamera-Gesamtsystemen charakterisiert werden kann.
In dieser Arbeit konnte durch die Rekonstruktion der Messdaten von PT-Experimenten mit mo-
nochromatischer Anregungsquelle an teiltransparenten Probekörpern mithilfe mathematischer
Modelle gezeigt werden, dass die verwendeten 1D-Modelle, die bisher nur für homogene Mate-
rialien verwendet wurden, auch für heterogene Materialien wie z.B. GFK geeignet sind. Dazu
muss jedoch die Modellierung der Absorption über zwei effektive Absorptionskoeffizienten (für
verschiedene Materialanteile) erfolgen. So konnten die Diffusivität und die Absorptionskoeffi-
zienten in verschiedenen Messkonfigurationen mit den jeweils geeigneten Modellen bestimmt
werden. Mit den hier entwickelten numerischen Modellen konnte nachgewiesen werden, dass die
Quantifizierung der Breite und Tiefe von künstlichen (Nuten) und realen (Delaminationen) Fehl-
stellen in teiltransparenten Materialien auch ohne zusätzliche Beschichtungen bestimmt werden
kann.
III
Abstract
Pulsed thermography (PT) is one of the non-destructive testing methods and is used for the
detection and quantification of hidden defects in a component. For materials that are semi-
transparent in the wavelength range of the optical excitation source and the infrared (IR) cam-
era, e.g. glass fiber reinforced plastic (GFRP), the existing PT evaluation methods cannot be
applied, as these are based on mathematical models describing opaque materials. Thus, to cur-
rently quantify the depth of defects in semi-transparent specimens, the specimen surface has
to be coated black. Since this is often undesirable in real applications, the aim of this work
is to develop a new thermographic evaluation technique that can be used to quantify defects
in semi-transparent specimens without surface blackening. For this purpose, already known
mathematical models for the description of PT experiments are extended and adapted to semi-
transparent materials with defects so that the depth of real delaminations in GFRP can be
determined by reconstructing the measured data with these new models and without coating
the specimen surfaces.
For thermographic measurements on semi-transparent materials, an IR camera receives radia-
tion not only from the material surface, as with opaque materials, but also from the volume. For
the reconstruction of PT experiments on semi-transparent materials, only the temperature field
and not the radiation field is considered for the mathematical modeling of the IR camera. By
comparing the previously used mathematical modeling with a newly developed model of the IR
camera, which takes the radiation field into account, it could be shown that when the radiation
field is neglected, the model parameters (absorbed energy and the absorption coefficients), which
determine the heating phase of a PT experiment, can be influenced during the reconstruction.
This shows that the usual modeling using effective model parameters can be applied in the con-
sidered application, but it inadequately represents the underlying physics. Another important
factor for the complete modeling of an IR camera is the spectral sensitivity of the IR camera
system. Since this is generally unknown, a new practical method was developed using bandpass
filters, a blackbody radiator, and a mathematical model to characterize the spectral response
for arbitrarily complex IR camera systems.
In this work, by reconstructing measured data from PT experiments with a monochromatic
excitation source on semi-transparent specimens by means of mathematical models, it was shown
that the 1D models used so far only for homogeneous materials are also suitable for heterogeneous
materials such as GFRP. However, this requires modeling the absorption using two effective
absorption coefficients (different material portions). In this way, the thermal diffusivity and
absorption coefficients could be determined in different measurement configurations using the
appropriate models in each case. By using the numerical models developed in this study, it
demonstrates that the quantification of the width and depth of simulated (notch) and real
(delaminations) defects in semi-transparent materials can be determined even without additional
surface coatings.
V
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