Zerstörungsfreie Prüfung von Verbundwerkstoffen

Unter der Oberfläche

Zerstörungsfreie Prüfung von Verbundwerkstoffen

Im Yacht- und Bootsbau sind die am häufigsten verwendeten Materialien die sogenannten Verbundwerkstoffe oder Composites. Durch die geschickte Kombination der positiven Eigenschaften mindestens zweier Bestandteile verfügen sie oft über hervorragende Merkmale - teilweise sogar speziell auf ihren jeweiligen Einsatzbereich abgestimmt. Kaum verwunderlich, dass sie u.a. auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Energietechnik z.B. für Windkraftanlagen, in der Medizintechnik, dem Sportgerätebau und in der Automotivindustrie für leistungsfähige Anwendungen genutzt werden. Doch überall wo Verbindungen bestehen, können diese auch "brechen" - sei es durch äußere Einflüsse oder Materialermüdung. Regelmäßige Tests sind daher unabdingbar. Das tragbare Inspektionssystem iX-600 von UNX Technologies Co., LTD. Taiwan erledigt dies berührungslos bis in die Tiefe der Materialien, auch bei großen Flächen. Es deckt mit Hilfe von Bildverarbeitung Schwachstellen auf, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Zum Einsatz kommt dabei neben einer Wärmebildkamera auch eine uEye Platinenkamera mit Autofokus der IDS Imaging Development Systems GmbH.

Ein Bereich, dessen Bedarf an Composites kontinuierlich steigt, ist der der maritimen Anwendungen. Neben Bodenelementen, Seitenwänden, Deckenverkleidungen oder Türen können auch Toilettenräume und Trenneinheiten aus Verbundwerkstoffen geliefert werden. Außerdem sind tragende Teile, wie Fußböden, Wände oder Dachpaneele möglich und sorgen für erhebliche Gewichtseinsparungen. Ein klassisches Beispiel für einen hier eingesetzten Verbundwerkstoff ist CFK - Kohlenstofffaserverstärker Kunststoff. Er bringt eine hohe Steifigkeit mit und ist gleichzeitig sehr leicht. Oder auch GFK - Glasfaserverstärker Kunststoff, ein Werkstoff aus Kunststoff und Glasfasern, auch Fiberglas genannt. Er ist kostengünstig und dennoch sehr hochwertig.

Bei derartigen Leichtbaumaterialien sind die einzelnen Komponenten nicht ineinander gelöst, sondern liegen quasi nebeneinander vor. Daher können bereits herstellungsbedingt Schäden wie Blasen, Poren, Fremdeinschlüsse und Delaminationen (Ablösen von Schichten) entstehen. Auch im laufenden Betrieb, d.h. während der Fahrt, kann die Festigkeit des Materials z.B. durch ein Schlagereignis beeinträchtigt werden. Ein Schlag gegen eine Verbundstoffplatte kann äußerlich keinerlei sichtbare Schädigungen hinterlassen. Im Inneren aber dennoch zu einer Senkung der Druckfestigkeit führen. Eine regelmäßige Prüfung der Werkstoffe ist daher nicht nur sinnvoll, sondern auch sicherheitsrelevant. Yachthersteller verwenden in der Regel die Ultraschall- oder Impact-Echo-Methode, um Fehler zu erkennen. Diese beruht auf der Nutzung elastischer Wellen. Sie wurde in den 1980er Jahren für die Prüfung von Stahlbetonbauteilen entwickelt und ist derzeit weit verbreitet. Dieses Verfahren erfordert allerdings eine Berührung der Teile und ist zeitaufwendig.

Anwendung

UNX Technologies Co., LTD. Taiwan bietet hierzu eine echte Alternative. Das tragbare Inspektionssystem iX-600 ermöglicht eine berührungslose und damit garantiert zerstörungsfreie Prüfung (NDI - Non-Destructive-Inspection) von Verbundwerkstoffen. Geprüft werden kann im Hinblick auf Ablösungen, Delaminationen oder Porosität. Dabei werden die Materialeigenschaften bis in die Tiefe der Flächen analysiert und so Defekte im Materialinneren aufgespürt. Auch großflächige Inspektionsbereiche oder gekrümmten Strukturen erfasst das System mühelos - ohne dass im Vorfeld eine Materialprobe erforderlich ist. Bei Verbundwerkstoffen mit Mehrschichtstruktur kann der iX-600 auch zusätzlich zum bereits beschriebenen manuellen sequentiellen Ultraschallabtasten verwendet werden, um Punktinformationen durch Flächeninformationen zu ersetzen.  

Die Besonderheit dabei: Der Fehlerort kann schnell und präzise ermittelt werden. Denn zusätzlich zum Infrarot-Wärmebild zur Ermittlung der allgemeinen Temperaturverteilung auf der Prüfoberfläche erhält das UNX System parallel Bildinformationen der integrierten Industriekamera und ermittelt so den exakten Fehlerstatus des Materials. Entscheidend ist also die Kombination einer Infrarotkamera mit einer Platinenkamera mit Autofokus von IDS, gepaart mit einem eingebauten Industrierechner mit 7-Zoll-Touchscreen sowie der zugehörigen Software. Das in Taiwan patentierte Instrument ist mobil und benötigt keinen weiteren externer Computer.

Am Beispiel der Außenhaut einer Motoryacht lässt sich das Verfahren einfach erläutern. Die Platinenkamera zeichnet das aktuelle Bild der zu begutachtenden Stelle während der Prüfung exakt parallel zur Wärembildkamera auf. Mit Hilfe der Bildverarbeitungstechnologie kann das System durch Analyse und Abgleich der Bilddaten schnell fehlerhafte Bereiche erkennen und deren relative Position anzeigen. Alle Messergebnisse werden übersichtlich im Bild dargestellt und dokumentiert. Der Defekt durch Delaminierung (grüner Rahmen im Bild) lässt sich anschließend leicht zur Reparatur lokalisieren.

Industriekamera mit Autofokus

UNX Technologies suchte für das mobile System eine kompakte Kamera, die außerdem schnelle Wechsel zwischen verschiedenen Schärfeebenen ermöglicht. "Der iX-600 ist ein tragbares Gerät. Er muss daher klein und leicht sein. Das gleiche gilt natürlich auch für seine Komponenten. Die integrierte Kamera muss darüber hinaus aufgrund der unterschiedlichen Arbeitsabstände über eine computergesteuerte Autofokus-Funktion verfügen", erklärt Dr. Yu-An Lai von UNX Technologies.

Die uEye LE AF USB 3.1 Gen 1 Platinenkamera aus dem Hause IDS erfüllt all diese Kriterien. Sie eignet sich zur Verwendung und Steuerung von Flüssiglinsen-Objektiven und bietet eine praktische Autofokus-Funktion. Damit ermöglicht sie optimal fokussierte Aufnahmen bei variablen Objektabständen. Die Automatik basiert auf einer "aktiven" Flüssiglinsensteuerung und lässt sich einfach per Software triggern. Je nach Anwendungsfall kann der Autofokus individuell konfiguriert werden und sorgt im Handumdrehen für perfekt scharfe Bilder. UNX hat sich konkret für das Modell  UI-3881LE AF mit S-Mount Objektivanschluss entschieden. Die Kamera verfügt über den 1/1.8" Rolling-Shutter CMOS-Sensor IMX178 von Sony aus der STARVIS-Serie und ermöglicht eine Auflösung von 6,41 MPixel (3088 x 2076 px) bei einer Bildrate von bis zu 58 fps. Neben seiner hohen Auflösung punktet der Sensor mit Geschwindigkeit und Empfindlichkeit, so dass auch bei schwachen oder wechselnden Lichtbedingungen hervorragende Aufnahmen erzielt werden.

Die UI-3881LE AF  besitzt einen verdrehsicheren USB Type-C Stecker sowie USB Power Delivery und lässt sich einfach in Embedded Systeme integrieren. Denn die Boardlevelkamera (36 x 36 x 20 mm) findet aufgrund ihrer kompakten Bauweise auch auf kleinstem Raum Platz und eignet sich perfekt für klassische Machine Vision-Anwendungen und Aufgaben aus den Bereichen Mikroskopie, Medizintechnik, Messtechnik und Verkehrsüberwachung. Außerdem ist sie für den Einbau in industrielle Kleingeräte prädestiniert, wie z.B. dem iX-600 von UNX Technologies.

Zur Integration der Kamera verwendet das taiwanesische Unternehmen das IDS Software Development Kit. Die kostenlose IDS Software Suite ist ein für alle uEye Industriekameras (Modellbezeichnung "UI") identisches Softwarepaket, mit dem ein Mischbetrieb von USB 2.0, USB 3.0 und GigE uEye Kameras problemlos möglich ist. Neben den Kameratreibern beinhaltet es Beispielprogramme in verschiedenen Programmiersprachen wie .NET. "Das verkürzte unsere Entwicklungszeit erheblich", erläutert Dr. Yu-An Lai.

Ausblick

Das Inspektionssystem iX-600 konzentriert sich auf den Markt der berührungslosen und damit zerstörungsfreien Prüfung von Verbundbauteilen. Ein Markt, der viel Potenzial birgt. Denn die Einsatzgebiete von Composites sind häufig sensibel. Egal, ob in maritimen Anwendungen, wie hier beschrieben, in der Raumfahrt, der Medizintechnik oder dem Sportgerätebau - die Belastbarkeit der eingesetzten Materialien ist essentiell und macht regelmäßige Prüfungen unerlässlich.

UNX Technologies erwägt aber auch Anwendungen, für die in Zukunft Industriekameras mit höherer Auflösung oder C-Mount Objektivanschluss benötigt würden. Hierbei hat das Unternehmen die "Schwesterkamera" UI-359xLE AF im Auge. Ebenso wie das im iX-600 eingesetzte Modell UI-3881LE AF, bietet sie die Möglichkeit, Flüssiglinsenobjektive bequem über die Kamera mittels Software zu fokussieren. Sensorseitig ist sie aber mit einem 1/2" Rolling-Shutter CMOS Farbsensor von ON Semiconductor ausgestattet, der eine extrem hohe Auflösung von 18,10 MPixel (4912 x 3684, 20,0 fps), 4K Cinema (4096 x 2304, 38 fps) und Ultra HD (3840 x 2160, 40 fps) liefert.

Mit welcher Variante auch immer, die kompakten und leistungsstarken Industriekameras eröffnen unzählige Einsatzmöglichkeiten. In mobilen Lösungen, wie dem iX-600 erleichtern sie dem Anwender in jeder Hinsicht den Arbeitsalltag und sorgen gleichzeitig für mehr Sicherheit. Denn wer den "Durchblick" hat, weiß, was unter der Oberfläche passiert.

USB 3.1 Gen 1 Boardlevel-Kamera UI-3881LE AF

UNX Technologies Co., LTD.