Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)
Der Begriff „zerstörungsfreie Prüfung“ (NDT) bezeichnet Prüfverfahren, mit denen Werkstoffe, Bauteile oder Systeme auf Fehler untersucht werden, ohne deren Funktion oder Gebrauchstauglichkeit zu beeinträchtigen. Die Thermografie ist ein Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, mit dem sich beispielsweise Materialfehler durch zweidimensionale Messung der Oberflächentemperaturen eines Objekts erkennen lassen. Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung werden in vielen Industriezweigen zur Qualitätskontrolle sowie in der Wissenschaft zur Materialuntersuchung eingesetzt.
Was ist zerstörungsfreie Prüfung?
Als zerstörungsfreie Prüfung (ZfP, auch NDT von Non-Destructive Testing) wird eine Reihe von Analysetechniken bezeichnet, zu denen Ultraschallprüfung, Durchstrahlungsprüfung und Thermografie gehören. Diese Techniken können zur Bewertung der Eigenschaften eines Materials, einer Komponente oder eines Systems eingesetzt werden. Im Gegensatz zur zerstörenden Prüfung ermöglichen ZfP-Methoden die Inspektion und Analyse von Materialien, ohne diese zu verändern oder zu zerstören. ZfP-Verfahren sind in Branchen wie der Elektronikindustrie, der Luft- und Raumfahrt, dem Baugewerbe und bei der Überwachung der Fertigung von entscheidender Bedeutung, wo die Unversehrtheit und Sicherheit von Materialien und Strukturen gewährleistet sein müssen. Die zerstörungsfreie Prüfung hilft beim Erkennen von Fehlern in Komponenten, bei der Qualitätskontrolle oder dabei, die Lebensdauer von Geräten zu verlängern.
Gängige ZfP-Methoden
Die gebräuchlichsten zerstörungsfreien Prüfverfahren sind:
Ultraschallprüfung: Einsatz von Schallwellen zur Erkennung von inneren Defekten.
Radiografische Prüfung: Einsatz von z. B. Röntgenstrahlen zur Durchleuchtung und Analyse innerer Strukturen.
Infrarotprüfung / Thermografie: Aufzeichnung von Temperaturänderungen zur Fehlersuche.
Magnetpulverprüfung: Erkennung von Oberflächen- und oberflächennahen Defekten in ferromagnetischen Materialien.
Elektromagnetische Prüfung: Eine ZfP-Methode, die elektromagnetische Felder nutzt, um Defekte oder Unregelmäßigkeiten in leitfähigen Materialien zu erkennen.
Flüssigkeitseindringprüfung: Identifiziert oberflächendurchbrechende Defekte durch flüssige Farbstoffe.
Wirbelstromprüfung: Nutzt elektromagnetische Felder zur Erkennung von Fehlern in leitfähigen Materialien.
Visuelle Prüfung: Direkte Beobachtung zur Identifizierung von Oberflächenfehlern mittels visueller Inspektion.
Akustische Emissionsprüfung: Überwacht transiente elastische Wellen, die durch die schnelle Freisetzung von Energie aus lokalen Quellen innerhalb eines Materials entstehen.
Dichtheitsprüfung: ZfP-Methode zur Erkennung und Lokalisierung von Lecks in einem System oder einer Komponente.
Diese Methoden ermöglichen eine effiziente Qualitätskontrolle und verlängern die Lebensdauer von Bauteilen, indem sie Schäden in einem frühen Stadium erkennen.
Vorteile des Einsatzes der Thermografie
Die zerstörungsfreie Prüfung mittels Wärmebildtechnik ermöglicht die Untersuchung von Werkstoffen und Bauteilen, ohne deren Integrität zu beeinträchtigen. Dies führt zu Kosteneinsparungen, da die geprüften Teile nicht ersetzt werden müssen.
Die zerstörungsfreie Prüfung verbessert die Sicherheit, da potenzielle Schwachstellen in kritischen Komponenten frühzeitig erkannt werden können und sich die Lebensdauer des Gesamtsystems so erhöht. Außerdem fördert die Methode die Umweltfreundlichkeit, da weniger Abfall anfällt. Sie ist auch effizient, da sie oft schnell durchgeführt werden kann.
Die Stärken der Thermografie bei der zerstörungsfreien Prüfung sind:
Wirksame Vermeidung von Prüfschrott
Berührungslose Prüfung mit geringer thermischer Belastung
Aussagekräftige Darstellung der Fehler
Detektion von Fehlern im Inneren von Bauteilen durch gezielte Steuerung der Prüftiefe über die Anregungsfrequenz
Einfache Analyse auch großer, gekrümmter Oberflächen
Kategorisierung verschiedener Defekttypen
Umfangreiche Prüfung bereits bei einseitiger Zugänglichkeit
Messaufgaben der Thermografie als ZfP-Methode
Fehlererkennung und Lokalisierung von Punkt- und Linienkurzschlüssen, Oxiddefekten, Transistor- und Diodenfehlern in mehrlagigen Leiterplatten und Multi-Chip-Modulen (siehe E-LIT)
Fehlererkennung in Solarzellen (siehe PV-LIT)
Qualitätssicherung bzw. Lokalisierung von Fehlern in Klebe-, Schweiß-, Löt- und anderen Fügeverbindungen durch die Erkennung von Hohlräumen (z. B. Lunker in Fahrzeuginnenraumkomponenten)
Erkennung von Materialfehlern in Verbundwerkstoffen und Rissen in Metallen
Qualitätssicherung von Zwischenprodukten (z. B. Schichtverbundwerkstoffe)
Beurteilung von thermischen Schneid- und Spritzvorgängen
Prüfung innerer Strukturen, wie z. B. Erkennung von Brüchen oder Stoßstellen in Wabenleichtbaukonstruktionen (Honeycomb-Strukturen)
Aktive Thermografie als Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung
Mittels Thermografie lassen sich Unterschiede in der Oberflächentemperatur leicht messen. Dies wird zum Beispiel in der Stahlindustrie eingesetzt, um die Temperatur von Blechen zu überprüfen, die aus einem Ofen kommen. Um sicherzustellen, dass der anschließende Pressvorgang zu den gewünschten Ergebnissen führt, muss das Blech eine Mindesttemperatur aufweisen.
Für die zerstörungsfreie Prüfung ist es jedoch oft entscheidend, tiefer in das zu untersuchende Objekt hineinzuschauen und sehr geringe Temperaturunterschiede im Milli- oder Mikrokelvin-Bereich zu messen. Während die passive Thermografie in solchen Fällen an ihre Grenzen stößt, bietet die sogenannte aktive Thermografie eine zuverlässige Methode zur zerstörungsfreien Prüfung tieferer Materialschichten.
Das wesentliche Merkmal der aktiven Thermografie ist der gezielte Energieeintrag in das Prüfobjekt. In Abhängigkeit von dessen Geometrie und thermischen Eigenschaften entsteht ein zeitlich und räumlich charakteristischer Wärmestrom. Dessen Verlauf an der Oberfläche des Prüfobjekts wird mit einer Thermografiekamera erfasst.
Für die Abbildung der entstehenden Temperaturverteilungen eignen sich insbesondere die gekühlten High-End-Wärmebildkameras der ImageIR®-Serie sowie ungekühlte Mikrobolometerkameras der neuesten Generation der VarioCAM®-Serien. Die geometrische Auflösung von bis zu (2.560 × 2.048) IR-Pixeln, hohe Bildwiederholraten sowie eine exakte Triggerung und thermische Empfindlichkeit bis weit unter 0,015 K liefern die technischen Voraussetzungen für die Erkennung kleinster Materialfehler.
Wenn Sie für die zerstörungsfreie Prüfung auf die Infrarot-Thermografie setzen, profitieren Sie vor allem von der vielseitigen Anwendung des Verfahrens für verschiedene Materialien und Materialkombinationen. Mittels Thermografie lässt sich eine Vielzahl verschiedener Defekte erkennen. Dazu zählen Fehler in Fügeverbindungen, Lunker, Risse oder fehlerhafte Anbindungen. Aufgrund dieser Leistungsfähigkeit hat sich die Aktiv-Thermografie in den letzten Jahren als Methode zur berührungslosen und zerstörungsfreien Prüfung fest etabliert.
Branchen und Anwendungen, in denen die zerstörungsfreie Prüfung häufig eingesetzt wird
Die zerstörungsfreie Prüfung ist in verschiedenen Branchen weit verbreitet, um die Eigenschaften von Materialien oder Strukturen zu bewerten, ohne sie zu beschädigen. Zu den Schlüsselindustrien gehören:
Elektronik- und Halbleiterproduktion, wo die ZfP zur Fehlererkennung, zum Wärmemanagement oder zur Qualitätskontrolle eingesetzt wird
Luft- und Raumfahrt, wo sie die Integrität von Flugzeugkomponenten sicherstellt
Automobilbau, wo z. B. Schweißnähte und ganz allgemein Materialien geprüft werden
Eisenbahnindustrie, wo die ZfP zur Inspektion von Schienen und rollendem Material eingesetzt wird.
Bauwesen, um die Sicherheit von Gebäuden und Infrastrukturen zu bewerten.
In der verarbeitenden Industrie wird die ZfP eingesetzt, um die Qualität und Zuverlässigkeit der Produkte zu gewährleisten. Da Nachhaltigkeit immer mehr an Bedeutung gewinnt, wird die zerstörungsfreie Prüfung zunehmend zur Bewertung der Langlebigkeit und Unversehrtheit von Strukturen im Bereich der erneuerbaren Energien wie Windturbinen, Solartürmen und Solarpaneelen eingesetzt, um den Übergang zu umweltfreundlicheren Technologien zu unterstützen. In der Öl- und Gasindustrie wird die zerstörungsfreie Prüfung außerdem eingesetzt, um Pipelines und Lagertanks auf Korrosion oder Lecks zu untersuchen. Auch Energieerzeugungsanlagen nutzen die zerstörungsfreie Prüfung zur Überwachung von Anlagen und zur Vermeidung von Ausfällen.
Technologische Entwicklungen in der Thermografie als zerstörungsfreie Prüfmethode
Die Thermografie liefert Temperaturinformationen in Form von hochauflösenden Wärmebildern. Obwohl die Methode intuitiv ist – unterschiedliche Farben bedeuten unterschiedliche Temperaturen – ist die Analyse im Detail nicht so trivial. Vor allem die große Menge der gesammelten Daten stellt eine Herausforderung dar.
Die Integration von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen ermöglicht die automatische Erkennung von Materialfehlern, wodurch die Genauigkeit erhöht, und menschliche Fehler minimiert werden. Die Thermografie profitiert in besonderem Maße von KI und maschinellem Lernen, da diese Methoden den Mustervergleich zwischen Wärmebildern erleichtern und so selbst kleinste Unterschiede zuverlässig erkannt werden können. Diese Fortschritte tragen dazu bei, die Sicherheit und Qualität von Materialien in verschiedenen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und dem Bauwesen zu gewährleisten.
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