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AQTIVE - Aktive Quantitative Thermografie mit Innovativen Vertikal Emittierenden Lasern

Fachliche Zuordnung Messsysteme
Beschichtungs- und Oberflächentechnik
Kunststofftechnik
Leichtbau, Textiltechnik
Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
Förderung Förderung von 2018 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400857558
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Projekt AQTIVE wurden die Möglichkeiten und Grenzen für die aktive Thermografie untersucht, die sich aufgrund der guten räumlichen und zeitlichen Flexibilität in der Bestrahlungsstärkeverteilung von Hochleitungs-VCSEL-Arrays ergeben. Als Substitution von Halogenlampen, gewöhnlichen Laser-Systemen, LEDs und Blitzlampen lässt sich ein VCSEL-Array sehr gut für die optisch angeregte Thermografie zur zerstörungsfreien Prüfung einsetzen und ermöglicht eine vollständige spektrale Trennung von der infrarotradiometrischen Temperaturbestimmung, sowie eine schnelle Ansteuerbarkeit bei gleichzeitig hoher Bestrahlungsstärke. Es konnten 2-dim. photothermische Prüfsysteme aufgebaut werden, mit welchen sich flächig und schnell Schichtdicken mit einer Genauigkeit von bis zu +- 3 µm bestimmen lassen. Die große Modulationsbandbreite von cw bis zu 600 Hz fand auch in der Signalformung Anwendung. So konnte mithilfe von kodierten Barker- oder Legendre-Sequenzen die Nachweisempfindlichkeit von Defekten im Vergleich zur Puls-Phasen-Thermografie mit einer SNR-Steigerung um teilweise über 10 dB verbessert werden. Je tiefer der Defekt lag, desto geringer wurde jedoch der Vorteil einer schnellen Anregungsquelle. In Kombination mit neuartigen Ansätzen wie dem Virtuellewellenkonzept und neuronalen Netzen ließen sich die Tiefenreichweite und -auflösung der thermografischen Prüfung noch weiter steigern. Dies ist insbesondere für metallische Werkstoffe wichtig. Das VCSEL-Array, welches aus acht bzw. zwölf individuell steuerbaren linearen Laserzonen besteht, bietet gegenüber den sonst üblichen homogenen Lichtquellen die Möglichkeit der räumlich strukturierten Erwärmung. Es konnte nachgewiesen werden, dass dieser neu gewonnene räumliche Freiheitsgrad produktiv in der aktiven Thermografie eingesetzt werden kann. Mithilfe von mehrfachen in ihrer räumlichen Bestrahlungsstärkeverteilung variierten Messungen konnte die laserbasierte Super-Resolution-Thermografie für metallische Werkstoffe etabliert werden, mit der sich, neben der genannten zeitlichen Strukturierung, die Grenzen der aktiven Thermografie noch weiter verschieben ließen, wodurch auch tiefliegende Defekte präzise in Größe und Position aufgelöst werden konnten. Für Kunststoffe konnten bislang im Modell erste Vorteile einer phasenverzögerten räumlichen Anregung gegenüber einer flächig homogenen Lockin-Thermografie für senkrechte Risse gefunden werden. Das VCSEL-Array bietet gegenüber alternativen Hochleistungslaserquellen einen echten Preisvorteil, erlaubt jedoch aufgrund der lückenhaften Substrukturierung in Laserzellen keine echte homogene Ausleuchtung. Diese Eigenschaft erfordert u.a. eine präzise Charakterisierung des Gesamtmesssystems vor dem produktiven Einsatz. Um die räumlich strukturierte Laserthermografie zu einer kommerziell nutzbaren Methode weiterzuentwickeln, bedarf es voraussichtlich noch weiterer technischer Überarbeitungen der vorliegenden VCSEL-Arrays hinsichtlich einer verbesserten Ansteuerbarkeit.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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