Shearografie / ESPI Systeme (auch Scherografie)
Die Shearografie bzw. die elektronische Speckle Pattern Interferometrie (ESPI) sind laseroptische Messverfahren und arbeiten berührungslos und vollflächig.
Die Shearografie-Systeme von isi-sys werden für die zerstörungsfreie Prüfung und auch zur Verformungs‑, Dehnungs- und Schwingungsmessung eingesetzt. Die Auflösung der Differenz-Verformungen beträgt nur ein Bruchteil der verwendeten Lichtwellenlänge und liegt damit im Nanometerbereich und darunter.
Die Lichtwellenlänge dient ebenso als Referenzmaß, wodurch die Auflösung von der Größe eines Sichtfeldes unabhängig wird. Das Sichtfeld kann von unter einem mm² bis hin zu mehreren m² reichen. Eine Objektpräparation ist nur bei optisch nicht kooperativen Oberflächen erforderlich.
Anwendung: Zerstörungsfreie Prüfung
Ein wesentliches Anwendungsgebiet der Shearografie Systeme von isi-sys ist die zerstörungsfreie Prüfung.
Die vollflächige Verformungsmessung der Shearografie ermöglicht es dabei, insbesondere festigkeitsrelevante Fehlstellen wie Ablösungen oder Delaminationen, Risse oder Lufteinschlüsse aufgrund von örtlich inhomogenen Verformungen und Dehnungen zu lokalisieren.
Hierzu wird das Testobjekt in der Regel aktiv durch eine äußere Last beaufschlagt. In der Praxis werden hierzu Heizstrahler oder Warmluft zur thermischen Belastung, Piezoshaker zur dynamische Erregung, mechanische Beanspruchungen wie z. B. Innendruckänderungen bei Tanks oder Rohren sowie Umgebungsdruckänderung durch Vakuumkammern eingesetzt.
Digitale Bildkorrelation / DIC (Digital Image Correlation)
Das Anwendungsgebiet der Digitalen Bildkorrelation liegt in der Festkörpermechanik, Materialforschung und ‑entwicklung – insbesondere von mechanisch beanspruchten Bauteilen oder Materialien.
Hierbei trägt die DIC mit ihrem Stereo-Kamerasystem durch berührungslose, ganzflächige Messungen von Verformung, Verschiebungen bzw. Deformationen und daraus abgeleitete Größen wie Dehnungen, Schwingungen, Bewegungen und Geschwindigkeiten zur Analyse der mechanischen Eigenschaften bei. Die Ergebnisse werden auch zur Validierung von Simulationen herangezogen.
Die Messung erfolgt an den Oberflächen von Festkörpern (Software VIC 2D/3D), aber auch im Volumen unter Einsatz von tomographisch arbeitenden Systemen (Software VIC Volume). isi sys integriert die VIC Software von Correlated Solutions (USA) und ist deren europäische Vertriebs- und Entwicklungspartner.
Die Messempfindlichkeit sowie die zeitliche und räumliche Auflösung sind von der verwendeten Systemhardware abhängig. DIC-Systeme von isi-sys erreichen Verformungsauflösungen im Nanometerbereich und zeitliche Auflösung im Nanosekundenbereich. Mit den DIC-Systemen wurden Messungen mit Sichtfeldern von unter einem mm² bis über 100m² ausgeführt, wie beispielsweise an rotierenden Windrotorblätter bei einem Durchmesser von über 114m.
Anwendung: Dehnungs- und Verformungsmessung
Die Digitale Bildkorrelation wird für dreidimensionale statische und dynamische Dehnungsmessung im Bereich von 0,001% bis zu 1000% Dehnung sowie für Ermüdungstests eingesetzt.
Hierbei kann durch hochauflösende Kameras mit guter Linearität und Signal-Rauschverhältnis eine hohe räumliche Auflösung erreicht werden. Durch den Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras werden zeitliche Auflösung bis derzeit 5 Millionen Bilder pro Sekunde erreicht.
Die Digitale Bildkorrelation ermöglicht teilweise aufgrund der berührungslosen und ganzflächigen Arbeitsweise auch Messungen bei denen konventionelle Methoden nicht und nur mit Einschränkungen eingesetzt werden können, wie beispielsweise bei höheren Temperaturen über 1000°C, hohen Dehnungen und Dehnraten oder kleinen Sichtfeldern mit hoher räumlichen Auflösungen. Teilweise ersetzt die DIC bereits konventionelle Verfahren zur Dehnungsmessung wie Dehnungsmessstreifen und Extensometer.
Aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften und der immer leistungsfähigeren Digitaltechnik (bezüglich Kameras, Computer und Speichermedien) hat die DIC andere in der Vergangenheit bereits verbreiteten optische Verfahren wie die Spannungsoptik, ESPI (Holografie) weitgehend aus der Dehnungs- und Verformungsmessung verdrängt.
Die wesentlichen Anwendungsbereiche finden sich in der Materialanalyse, dem Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt, im Bauingenieurwesens, aber auch in Forschungsfeldern wie der Biomechanik, Medizintechnik und den Geowissenschaften.
Videostroboskopie / Vibrokorrelation
Im Gegensatz zu High-Speed-Kameras können Videostroboskop-Systeme von isi-sys wiederkehrende, periodische Vorgänge wie Schwingungen und Rotationen in Zeitlupe darstellen und aufzeichnen.
Das Videostroboskop-System besteht in der Regel aus der Kamera und einer Synchronisationseinheit, die die Bildaufnahme entsprechend der Objektschwingung oder Rotation steuert, so dass die Objektbewegung in einer bestimmten Schwingungs- oder Rotationsphasenlage eingefroren oder verlangsamt aufgenommen werden kann. Somit ist die Beobachtung über einen längeren Zeitraum als bei High-Speed-Kamera-Systemen möglich.
Aufgrund der immer schnelleren Bildraten der Kameras und Speichermöglichkeiten direkt im RAM des Computers oder auf Datenträgern können auch bereits transiente Vorgänge aufgezeichnet werden. Der Bildraten sind dabei von der Kameraauflösung und dem Interface abhängig. Beispielsweise werden derzeit mit USB 3.0 160Hz bei 2,3 Megapixel erreicht.
Um eine quantitative Auswertung der Bewegungen bzw. Verformungen und Verschiebungen sowohl im Subpixelbereich als auch dreidimensional zu erhalten, kann das Prinzip des Videostroboskops auch mit der Digitalen Bildkorrelation erweitert werden. Ein quantitative Schwingungsanalyse ist hierbei nach dem Phasenresonanzverfahren möglich.
Anwendung: Betriebsschwingungs- und Modal-Analyse
Mit einer vollflächigen 3D-Messung der Verformungen unter Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras und nachfolgender Auswertung mittels dem Phasen-Trennungs-Verfahren (VIC 3D FFT-Modul) werden Bauteilschwingungen während des Betriebs ganzflächig dreidimensional sichtbar und quantitativ analysierbar.
Ein wesentlicher Vorteil gegenüber punkt und scannenden Verfahren wie Beschleunigungsaufnehmern und (Scanning-)Vibrometern ist, dass die gesamten Verformungsdaten innerhalb eines extrem kurzen Zeitraums aufgezeichnet werden können und die Auswertung im Postprocessing erfolgt.
Beispielsweise können bei 1 Mpx Bildauflösung 24 000 Bilder pro Sekunde mit Belichtungszeiten von 250ns aufgezeichnet werden. Damit ist eine Frequenzanalyse bis ca. 10kHz möglich. Die Bildrate und damit der Frequenzbereich kann hierbei durch die Verringerung der Auflösung weiter gesteigert werden.
Bei bekannter Anregung – zum Beispiel mittels Impulshammer, Impulspiezoaktor – werden Modalanalysen nach dem Phasentrennungs-Verfahren oder bei harmonischer Anregung – bspw. mit Piezo- oder elektrodynamischen Shaker – nach dem Phasenresonanzverfahren durchgeführt.
Piezoshaker Systeme
Die Piezoshaker wurden von isi-sys ursprünglich für die Anregung von Schwingungen im Frequenzbereich von 1kHz-100kHz – speziell für die zerstörungsfreie Prüfung in Kombination mit der Shearografie – entwickelt.
Charakteristisch für Piezoshaker gegenüber elektrodynamischen Shakern oder mechanischen Unwuchterregern ist die Anwendung bei höheren Frequenzen aufgrund der Eigenschaft, dass relativ hohen Kräfte bei kleinen Amplituden erzeugt werden können. Der erste Einsatz erfolgte hier schon 1996 an der Universität Kassel durch Anbringen von einfachen Piezoscheiben mittels Wachs.
Ein charakteristisches Merkmal der Entwicklung der Piezoshaker von isi-sys seit dem Jahr 2000 war die Einführung von Piezoshakern mit Saugfußadapter, so dass eine einfache, schnelle Anbringung am Objekt möglich wurde.
Ebenso ist die Erregerfrequenz breitbandig durchstimmbar. Die breitbandige Durchstimmbarkeit ist auch für die Schwingungsmessung nach dem Phasenresonanzverfahren von Bedeutung. Hierfür wurden spezielle, auch kundenspezifische Piezsohakerkonfigurationen entwickelt.
Anwendung: Zerstörungsfreie Prüfung
Festigkeitsrelevante Fehlstellen und Defekte können durch dynamische Anregung der lokalen Eigenfrequenz von Fehlstellen – auch als Defektresonanz bezeichnet – in Kombination mit der Shearografie bzw. ESPI oder in Kombination mit der Thermografie sichtbar gemacht, lokalisiert und analysiert werden.
Hierbei sind die Durchstimmbarkeit des Piezoshakersystems (beispielsweise im Frequenzbereich von 0–30kHz bzw. 0–100kHz) und die dabei zur Verfügung stehende Leistung (Amplitude und Kraft) wesentlichen Anforderungen für die Detektionswahrscheinlichkeit. In Kombination mit unseren leichten Hochleistungsverstärkern eignen sich diese Prüfsysteme insbesondere auch für den mobilen Einsatz.
