Forschung Neue Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung

Basierend auf den klassischen Methoden der zerstörungsfreien Materialprüfung haben Forscher ein lasergestütztes Prüfverfahren entwickelt, das winzigste Oberflächenrisse sicher aufspürt. Und mit Hilfe neuer, auf dem GMR-Effekt basierender Sensoren lässt sich sogar die Form der Risse exakt bestimmen.

Zu den gängigsten Verfahren, Materialien zerstörungsfrei auf Schäden zu prüfen, gehören optische, elektromechanische, magnetische und thermische Methoden, ebenso wie die Röntgendurchstrahlung.

In vielen Anwendungen haben sich thermografische Verfahren durchgesetzt: Materialfehler wirken als Wärmewiderstände, an denen sich die Wärme staut und um den Fehler herumfließt. Dieser Effekt lässt sich dann mit einer Wärmebildkamera an der Oberfläche eines Bauteils sichtbar machen. Erhitzt man beispielsweise mit einem Föhn die Oberfläche eines Metallkörpers, verteilt sich normalerweise die Wärme sehr homogen und dringt hauptsächlich senkrecht zur Oberfläche langsam in die Tiefe des Materials ein. Weil Oberflächenrisse oftmals auch senkrecht zur Oberfläche verlaufen, sind dann der Wärmestau und dadurch die Nachweismöglichkeit vermindert.

Wissenschaftler der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) machten sich nun den Effekt der radialen Wärmeausbreitung bei punktförmigen Wärmequellen (wie sie durch einen Laser erzeugt wird) zunutze und haben ein lasergestütztes Prüfverfahren entwickelt, mit dem man zerstörungsfrei auch sehr feine Risse erkennen kann.

Angewandt wird zunächst ein Prinzip der Laserthermografie: Ein Laser erwärmt das zu prüfende Material an einer winzigen Stelle. Mit einer Wärmebildkamera wird die Wärmeverteilung an der Oberfläche inspiziert. Dabei rastert man die Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von bis zu zehn Metern pro Sekunde ab. An der Rissflanke entsteht ein Wärmestau. Somit kann man an der Flanke einen Bereich mit einem sehr steilen Anstieg der Temperaturverteilung sehen. Das Problem: »Wenn man mit einer Wärmebildkamera auf die Oberfläche des Materials schaut, sieht man nur den heißen Punkt des Lasers«, sagt der BAM-Physiker Marc Kreutzbruck. Doch der interessiere natürlich bei einer Überprüfung nicht. Denn geschaut werden solle ja nach der auffälligen Wärmeverteilung, die durch Risse hervorgerufen wird.

Die BAM-Experten entwickelten deshalb für die zerstörungsfreie Prüfung ein mathematisches Verfahren, mit dem es möglich ist, durch einen Algorithmus auf der einen Seite das Signal des Risses (durch eine so genannte örtliche Ableitung) zu verstärken, auf der anderen Seite aber das Signal des Lasers auszulöschen. Das sei nicht nur eine mathematische Spielerei, sagt Kreutzbruck, sondern man bekomme die ganz konkrete physikalische Größe des Wärmewiderstandes. Zudem können mögliche Defekte in alle Richtungen festgestellt werden. Risse sind deshalb in Abhängigkeit der eingesetzten Laserleistung bis zu einer Tiefe von zehn Mikrometern nachweisbar. Aber auch die Ortsauflösung ist sehr gut und lässt Risse noch in einem Abstand von nur 100 Mikrometern einzeln erkennen. »Das Verfahren ist schnell, gänzlich berührungslos und mittels kommerziell erhältlicher Komponenten zu realisieren«, unterstreicht Kreutzbruck. Der Experte sieht die Entwicklung vor allem als Hilfe in der Industrie und bei Dienstleistern, die die zerstörungsfreie Prüfung automatisieren möchten.