Rotorblätter zählen zu den kostenintensivsten Komponenten von Windenergieanlagen in Bezug auf Wartung und Ausfallzeiten. Mit der zunehmenden Blattlänge – aktuell bis zu 115 m – steigen auch die Anforderungen an effektive Inspektionsmethoden. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelt hierfür eine passive thermografische Ferninspektion vom Boden aus, die die klassische visuelle Prüfung durch Industriekletterer ergänzen oder perspektivisch ersetzen soll. Feldmessungen und Laborexperimente belegen das Potenzial dieser Technik, sowohl strömungsbedingte thermische Signaturen als auch strukturelle Anomalien innerhalb der Rotorblätter zu erfassen. Eine besondere Herausforderung liegt in der Trennung dieser überlagerten Effekte sowie in der eingeschränkten Kenntnis der inneren Blattstruktur aufgrund fehlender Designdaten. Um die Methode zur Marktreife zu führen, sind Fortschritte in der Bildverarbeitung, etwa durch eine patentierte Differenzbildung, erforderlich. Der Beitrag stellt die zugrunde liegende Messtechnik, Ergebnisse einer groß angelegten Feldstudie mit 30 Anlagen sowie die identifizierten physikalischen Einflussgrößen (Strömung, Struktur, Emissivität) vor und gibt einen Ausblick auf die nächsten Entwicklungsschritte.

Das Kaltgasspritzen ist ein vielversprechendes Verfahren für die Reparatur von metallischen Komponenten , insbesondere sicherheitsrelevante Bauteile in der Luft- und Raumfahrt. Durch die Abscheidung von Partikeln mit hoher Geschwindigkeit ohne Schmelzen entsteht eine mechanisch verbundene Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Beschichtung. Die Überwachung der Integrität dieser Grenzfläche unter Ermüdungsbelastung stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar, da die Grenzfläche nicht sichtbar ist.

Die Röntgencomputertomographie (XCT) wird bereits häufig zur Charakterisierung von Defekten in Kaltgasspritzbeschichtungen und Grenzflächenbereichen eingesetzt. XCT bietet zwar hochauflösende Einblicke in interne Strukturen, ihre Anwendung bei mechanischen Prüfungen ist jedoch aufgrund praktischer Einschränkungen bei der In-situ-Implementierung begrenzt.

In dieser Studie wurde die Infrarot-Thermografie (IRT) eingesetzt, um die Schadensentwicklung in kaltgespritzten Al6061-Proben während Zug- und Ermüdungsbelastung zu überwachen. Eine gekühlte Infrarotkamera mit hoher Bildfrequenz wurde synchron mit den mechanischen Prüfungen eingesetzt, und die Daten wurden mit Lock-in-Thermografieverfahren verarbeitet, um Phasen- und Amplitudensignale zu extrahieren, die mit thermoelastischen und dissipativen Effekten in Zusammenhang stehen.

Die IRT ermöglichte die Erkennung thermischer Anomalien an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Substrat, die mit der Rissbildung und -ausbreitung korrelierten. Parallel dazu wurde die digitale Bildkorrelation (DIC) angewendet, um Oberflächenverformungsfelder abzubilden. Der Vergleich von DIC und IRT ermöglichte eine multimodale Betrachtung der Schadensmechanismen. Die fraktografische Analyse bestätigte, dass die mit IRT identifizierten Bereiche gut mit der Rissentstehung an der Grenzfläche übereinstimmen.

Diese Ergebnisse bestätigen den Wert der Infrarot-Thermografie als zerstörungsfreies Verfahren zur In-situ-Überwachung der strukturellen Integrität bei Kaltgasspritzreparaturen. Sie ergänzt XCT und DIC, indem sie eine kontinuierliche Verfolgung der Schadensentwicklung unter realistischen Belastungsbedingungen ermöglicht.

Die aktive Thermografie – obgleich als klassisches Oberflächenverfahren eingestuft – kann mittels Erhöhung der Messzeit und ausreichender Anregungsintensität durchaus tiefer in Werkstoffe hineinblicken. Im Fall von Bauteilen mit mehreren Schichten wird die eindringende Welle ähnlich wie beim akustischen Ultraschall in Abhängigkeit der Effusivitäten der einzelnen Schichten an der Grenzfläche reflektiert. Für diesen Sachverhalt sind in der Vergangenheit analytische Lösungen für Zweischicht- oder Mehrschichtmodelle entwickelt worden. Zum einen zeigt der Beitrag wie mittels des Zweischichtmodels eine bildgebende Dickenmessung der Lackschicht umgesetzt werden kann. Zum anderen kommt der Mehrschichtansatz auch für Prüfungen an einem GFK Kunstwerk zum tragen. Hier soll allerdings nicht die Schichtdicke der zweiten Lage des GFK-Balsaholz-GFK Verbundes bestimmt werden, denn diese ist weitestgehend über den Einsatz des Halbzeuges bekannt. Es soll vielmehr unter Hinzunahme einer Ultraschallmessung und der damit gemessenen Schichtdicke der ersten Lage über das Zweischichtmodell eine Aussage über die Reflektion an der ersten Grenzfläche GFK-Balsa getroffen werden. Hierdurch wird auf den Zustand der Innenschicht des Balsaholzes im Sandwichverbund zurückgeschlossen, da mit Blick auf Degradation der biologische Werkstoff am kritischsten einzustufen ist. Die Ergebnisse werden mittels Probennahme validiert und es zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung von Modelldaten und Realität.

In recent years, our company has been involved in sustantial thermography research with academic collaboration and has recently embarked on industrializing thermography for NDT applications with excellent success. This talk will outline the evolution of our research efforts and industrial effort that made FACC globally the first tier I partner to apply thermography for serial applications, highlighting key findings and initial successes that laid the groundwork for industrialization.

This presentation will delve into the specific challenges faced during the qualification of thermography for major Original Equipment Manufacturers (OEMs), including issues related to technology integration, scalability, and compliance with industry standards. By sharing our experiences, we aim to provide valuable insights for both academia and industry experts interested in the practical applications of thermography.

Zerstörungsfreie Prüfverfahren mittels aktiver und passiver Thermografie haben sich mehr und mehr in der Praxis etabliert. Ein großer Vorteil dieser Technologie ist die schnelle bildgebende und berührungslose Erfassung von Defekten und Fehlstellen. Die Kombination von geeigneten Anregungsquellen und passenden Thermografiesystemen sowie den zugehörigen Auswertealgorithmen (u. a. Lock-In- und Puls-Phasen-Thermografie, Quotienten-Methode) haben die Prüfmöglichkeiten in der ZfP deutlich erweitert.
Die Infrarot-Kameratechnologie hat sich in den vergangenen Jahren sehr stark weiterentwickelt. Kamerasysteme mit gekühlten und ungekühlten Detektoren verfügen über bessere thermische Empfindlichkeiten, ebenso sind die Pixelanzahl sowie die Bildwiederholraten stark angestiegen. Daraus ergeben sich deutlich leistungsfähigere Systeme für die zerstörungsfreien Prüfverfahren.
Die Präsentation gibt einen Einblick in die Technik und die Technologie der Thermografie. Welche Grenzen, welche Möglichkeiten bietet diese Technologie? Wie ist der aktuelle Stand der Technik? Es werden die messtechnischen Besonderheiten der passiven sowie der aktiven Thermografie vorgestellt. Hierbei wird der Fokus auf die technischen Spezifikationen der aktuellen Thermografiesysteme gelegt sowie Applikationsbeispiele der passiven und aktiven Thermografie präsentiert.

Scannende Lasersysteme sind als vielseitige Anregungssquelle für die aktive thermografische
Prüfung geschätzt und etabliert, insbesondere in der Wissenschaft. Im industriellen Umfeld
werden scannende Lasersysteme massenhaft zum Schweißen, Schneiden, Gravieren und Beschriften eingesetzt, immer häufiger auch für die zerstörungsfreie Prüfung mittels Thermografie.
Bei Prüfaufgaben, die im Feld durchgeführt werden müssen, hat die Thermografie bisher einen schweren Stand verglichen mit etablierten Methoden wie der Farbeindringprüfung. Lediglich die optisch angeregte Thermografie hat eine gewisse Verbreitung erlangt, überwiegend für Delamination und andere werkstofftypische Schäden an Faserverbundwerkstoffen in der Luftfahrt.
Die regelmäßige Rissprüfung an Kesseln und Dampfturbinen in Kraftwerken ist nun mittels Laserthermografie möglich. Der Anwender profitiert von kürzeren Stillstandszeiten der Anlage durch eine erheblich gesteigerte Prüfgeschwindigkeit gegenüber der Farbeindringprüfung.
Der Einsatz eines scannenden Lasersystems im Feld ist mit erheblichen Herausforderungen verbunden: Laserschutz, Integration und Kalibrierung diverser Komponenten zueinander, schnelles und bedienerfreundlichen Rüsten des Prüfgeräts, Einrichten der Prüfbereiche und automatische Trajektorienplanung, bis hin zur Auswertung und Aufbereitung der Ergebnisse.

Die thermische Tomographie erlaubt eine bildgebende und tiefenaufgelöste Darstellung von Defekten ohne Berührung des Bauteils. Im ersten Schritt werden thermische Wellen durch eine externe optische Anregung eingebracht. Aufgrund von material- und geometrieabhängigen Wechselwirkungen des Wärmestroms bei der Durchquerung des Prüfkörpers transportieren diese thermischen Wellen Informationen über innere Grenzflächen. Diese Informationen sind in der Oberflächentemperatur enthalten, welche mit einer Infrarotkamera berührungslos erfasst wird. Die Messsignale werden mittels einer mathematischen Transformation in ein virtuelles Schallfeld umgewandelt. Die Größe und Lage von Defekten kann nun mithilfe von bereits bekannten und hochentwickelten Rekonstruktionsverfahren der Ultraschalltechnik extrahiert werden.
Mittels eines kompakten und smarten Sensorkopfes, welcher die optische Anregung, die Infrarotkamera und die Auswerteeinheit vereint, bietet die photo-thermische Tomographie die Möglichkeit der einfachen Automatisierung oder der schnellen und kostengünstigen In-service Anwendung. Der Sensorkopf mit einem Gesamtgewicht von unter 6 kg wird durch einen Roboter oder durch den Prüfer manuell im Raum positioniert, wodurch eine Abrasterung des Bauteils erfolgt. Im Gegensatz zur sehr weit verbreiteten Ultraschallprüfung ermöglicht das neue thermographische System eine schnelle, berührungslose, bildgebende Prüfung mit einer hohen Gesamteffizienz. Die Vorteile dieser Technologie werden anhand von Beispielen aus der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie sowie an Freizeitanwendungen gezeigt.

Das MIX Starter Kit für Infrarotkameras der A- und X-Serien wurde für Forscher und Ingenieure entwickelt, die die Grenzen der Wissenschaft immer weiter ausdehnen. Es verbindet nahtlos sichtbares und Infrarotlicht in einer einzigen, synchronisierten Datei.
Es ermöglicht dem Benutzer, Wärmemuster sofort mit strukturellen Details zu korrelieren. Durch die Erfassung und Kombination von visuellen und Infrarotbildern mit über 1.000 Bildern pro Sekunde stellt dieses Kit sicher, dass jede Millisekunde der Veränderung mit absoluter Präzision erfasst wird, was es perfekt für wissenschaftliche Hochgeschwindigkeitsuntersuchungen wie Airbag-Tests, Ballistik und Sprengstoffdynamik macht.
In der FLIR Geräteausstellung auf der Themo25 haben Sie die Möglichkeit, das FLIR MIX Toolkit in Kombination mit einer X6980HS 1,5-5µm Breitband MWIR Kamera live zu testen und den Unterschied von Aufnahmen mit Spektralfilter 1,5-3 und 3-5µm zu sehen.
Andreas Angerer, FLIR Systems beschäftigt sich seit über 27 Jahren hauptberuflich mit Thermografie, einer der Schwerpunkte liegt auf zerstörungsfreier Prüfung.

Diese Arbeit zeigt die Anwendung der thermischen Tomographie auf Basis des virtuellen Wellenkonzeptes bei realen Prüfaufgaben aus der produzierenden Industrie, sowie auch aus dem MRO (Maintenance, Repair and Operations) Sektor. Die thermografische Rekonstruktion von Defekten, die im Inneren einer Probe liegen, ist im Allgemeinen eine sehr anspruchsvolle Aufgabe, da durch die Entropieproduktion während der Wärmeleitung ein Informationsverlust entsteht. Um Defekte zu rekonstruieren, muss zuerst ein inverses Wärmeleitungsproblem gelöst werden. Die Qualität der Rekonstruktion steht in engem Zusammenhang mit dem Informationsgehalt des beobachteten Datensatzes, was sich in der abnehmenden räumlichen Auflösung eines Defekts mit zunehmender Tiefe widerspiegelt.
Im ersten Schritt werden thermische Wellen durch eine externe optische Anregung der Bauteiloberfläche erzeugt. Diese thermischen Wellen diffundieren durch das Prüfobjekt und deren Auswirkung auf die Oberflächentemperatur wird mit einer Infrarotkamera berührungslos und bildgebend erfasst. Aufgrund von material- und geometrieabhängigen Wechselwirkungen bei der Durchquerung des Prüfkörpers transportieren die thermischen Wellen Informationen über die innere Struktur. Die gemessenen Oberflächentemperatursignale werden mithilfe einer mathematischen Transformation in ein virtuelles Wellensignal umgewandelt. Mithilfe von neuartigen iterativen Regularisierungsverfahren, welche die Berücksichtigung von Zusatzinformationen über das Experiment erlauben (z.B. Rauschcharakteristik des Detektors, dünn-besetzte Rekonstruktionsmatrix, keine negativen Temperaturwerte), kann dieses schlecht gestellte Rekonstruktionsproblem näherungsweise gelöst werden. Diese Zusatzinformationen erhöhen dabei deutlich die Qualität und Auflösung der Rekonstruktionsergebnisse.
In dieser Arbeit zeigen wir verschiedene ein-, zwei- und dreidimensionale Rekonstruktion von realen Defekten vorwiegend bei Composite Bauteilen, wie z.B. Delaminationen, Disbonds, inhomogene Faserverteilung, Wassereinschlüsse und mehr. Die Merkmale im virtuellen Wellensignal werden nachfolgend mithilfe von 3D Röntgen-Computertomographie-Daten interpretiert und validiert.

Im Rahmen der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) von Bauteilen mittels Aktiver Thermographie ist das Erkennen und Kennzeichnen von Defekten in Thermogramm-Sequenzen einer der wesentlichsten Arbeitsschritte des Prüfpersonals. Dabei häufig verwendete Merkmalsextraktionsmethoden wie die Fouriertransformation reduzieren zwar die Anzahl der Bilder je Messung wobei die echte Fehlergröße dennoch schwer bestimmbar bleibt. Weiters ist es trotzdem erforderlich die gesamte Bildsequenz zu analysieren, vor allem bei stark unterschiedlichen Defekttiefen. In Bereichen, wo prüfpflichtige Verbund-Bauteile mit hoher Produktionsrate hergestellt werden sollen, aber autonome KI-Systeme für die ZfP nicht erlaubt sind, kann die Datenanalyse und das Treffen der Ausschussentscheidung auf Basis der Fehlergröße zu einem kostspieligen Nadelöhr werden.

In diesem Beitrag präsentieren wir ein zweistufiges Verfahren, um aus Bildsequenzen ein segmentiertes Defektbild zu generieren. Im ersten Schritt wird die Datengröße vor dem Training ohne wesentlichen Informationsverlust reduziert. Dies erfolgt durch ein nicht-äquidistantes Sampling und dem Einsatz der Virtuelle-Wellen-Transformation, wodurch die Daten als Spiegelquellen repräsentiert werden. Das im zweiten Schritt des Verfahrens eingesetzte Modell erlaubt eine 3D-zu-2D-Segmentierung, d.h. es werden lokale Orts- und Zeit- bzw. Tiefeninformationen kombiniert. Das Modell wird mittels Simulationsdaten trainiert wobei die Trainingsdaten planare Fremdkörper mit unterschiedlicher Lage, Größe und Material umfassen. Durch Testen des Verfahrens an einer Probe aus CFK mit darin eingebrachten Fremdkörpern kann gezeigt werden, dass die Merkmalsextraktion in Kombination mit dem Segmentierungsmodell bereits ohne Einbeziehen von echten Messdaten gute Ergebnisse im Hinblick auf die Fehlergrößenabschätzung und die Genauigkeit erzielt.

Das präsentierte Verfahren ermöglicht eine KI-unterstützte Messdatenauswertung durch Prüfpersonal und bietet das Potenzial die Fehlerbewertung schneller und zuverlässiger durchzuführen. Durch Fine-Tuning des Modells mit realen Daten können die Ergebnisse künftig weiter verbessert und an den Anwendungsfall angepasst werden.

Die klassische aktive thermografische Prüfung von Industriegütern hat sich bisher meist auf die Erstellung von zweidimensionalen Fehlerkarten beschränkt. Während dies für die Erkennung von oberflächennahen Defekten bereits das gewünschte Ergebnis ist, wird für tiefliegende Defekte immer öfter eine 3D-Rekonstruktion der Defektgeometrie angestrebt. Dieser allgemeine Trend ist auch bei vielen anderen ZfP-Methoden (Radiographie, Ultraschallprüfung) zu beobachten, wo die Entwicklung von 2D zu 3D-Rekonstruktionsmethoden teilweise bereits weit fortgeschritten ist (CT, UT Phased-Array).

Die Erzielung einer vollständigen 3D-Defektrekonstruktion in der aktiven thermografischen Prüfung wird stark durch die diffusive Natur thermischer Prozesse erschwert. Eine mögliche Lösung zur Bewältigung der Hemmnisse thermischer Diffusion ist die Anwendung des virtuellen Wellenkonzepts, welches durch die Lösung eines inversen Problems die Extraktion der Diffusionseigenschaften aus den thermografischen Daten im Post-Processing ermöglicht. Was übrig bleibt, folgt der Physik propagierender Wellen und ermöglicht die Anwendung bekannter Algorithmen aus der Ultraschallprüfung. Zwar lassen sich die nachteiligen physikalischen Eigenschaften der Wärmeleitung nie gänzlich überwinden, was sich weiterhin in der Qualität der gewonnenen Daten widerspiegelt, jedoch bietet die thermografische Prüfung insgesamt inhärente Vorteile in Bezug auf die Anzahl kohärenter Sender- und Empfängerpostionen.

In dieser Arbeit stellen wir unsere Fortschritte bei der 3D-Rekonstruktion tiefliegender Defekte durch räumlich strukturierte Lasererwärmung in Verbindung mit der Anwendung der Total Focussing-Methode (TFM) im virtuellen Wellenbereich vor. Experimentell kombinieren wir entweder mehrere Einzelpunkterwärmungen für die Rekonstruktion von Abschnitten des zu untersuchenden Objekts oder 2D-strukturierte Anregungsmuster für eine vollständige 3D-Volumenrekonstruktion.

Die aktive Thermografie ist eine bewährte Methode zur zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) von Materialien. Sie erlaubt die Detektion von Fehlstellen sowie die Charakterisierung thermischer Materialeigenschaften mit hoher Empfindlichkeit. Der breite industrielle Einsatz wird jedoch häufig durch die hohen Kosten kommerzieller Infrarotkameras limitiert.
In diesem Beitrag wird ein kosteneffizientes Lock-in-Thermographiesystem auf Basis einer industriellen OEM-Wärmebildkamera vorgestellt. Das System wurde für ZfP-Anwendungen an faserverstärkten Verbundwerkstoffen entwickelt und getestet. Neben experimentellen Untersuchungen werden numerische Simulationen durchgeführt, um thermische Reaktionen und Signalkontraste bei verschiedenen Fehlergrößen, -tiefen und Anregungsfrequenzen zu modellieren.
Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit wird das entwickelte System mit wissenschaftlich etablierten Hochleistungsthermokameras verglichen. Dabei werden unter anderem Signal-Rausch-Verhältnis, Phasenkontrast und Detektionstiefe gegenübergestellt, um die Grenzen und Möglichkeiten des Low-Cost-Ansatzes systematisch zu analysieren.
Trotz der eingeschränkten Auflösung und Empfindlichkeit der verwendeten Kamera zeigen erste Ergebnisse eine gute Detektionsleistung. Anwendungsbeispiele belegen die Praxistauglichkeit des Systems bei der Fehlercharakterisierung in Verbundwerkstoffen. Darüber hinaus wird das Potenzial des Systems für den Einsatz in der akademischen Lehre diskutiert, insbesondere für kosteneffiziente Experimente im Rahmen von Praktika.

Sowohl die Lockin-Thermografie als auch die Pulsphasenauswertung für die Puls-Thermografie erzeugen zwei Bilder - ein Phasen- und ein Amplitudenbild. In der Regel wird nur das Phasenbild dem Prüfer angezeigt: Damit blieben zum einen Informationen aus der Messung unbenutzt, zum anderen zeigt das Phasenbild prinzipbedingt ein starkes Rauschen in Teilen des Bildes mit geringer Amplitude. Über die Kombination von Phasen und Amplitudenbild in einem gemeinsamen Farbbild ist es möglich die volle Information dem Prüfer zugänglich zu machen und den Kontrast auf einfache Weise zu verbessern.

Das Thermal Shock Response Spectrum (TSRS) wird als neuartige, modellbasierte Post-Processing-Methode für die Infrarot-Thermografie (IRT) vorgestellt. Die Methodik basiert auf einer konzeptuellen Analogie zur mechanischen Shock-Response-Spektralanalyse (ISO 18431) und ermöglicht eine frequenzselektive Auswertung transienter thermischer Vorgänge. Die Einführung eines thermischen Q-Faktors, ähnlich der Resonanzschärfe (Q-Faktor) eines mechanischen Oszillators, sowie einer charakteristischen Frequenz, dessen Optimierung mithilfe stochastischer Sampling-Methoden wie Latin Hypercube Sampling erfolgt, resultiert in einem frequenzselektiven, physikalisch fundierten TSRS-Verfahren zur thermischen Signalverarbeitung bzw. Defekterkennung. Im Fokus der Untersuchung steht die methodische Entwicklung, algorithmische Optimierung und experimentelle Validierung der TSRS-Methodologie – insbesondere mit Ausblick auf zukünftige Anwendungen in der zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen und potenziell auch im Rahmen von Impactversuchen. Die experimentelle Validierung wurde an einer CFK-Platte mit künstlich integrierten Defekten an sechs unterschiedlichen Tiefen durchgeführt. Im Hinblick auf die Unterstützung automatisierter, bildgestützter Erkennung von Defektkonturen wurde ein neuartiger, auf Bildrotation basierender Kontursuchalgorithmus entwickelt. Dieser zeichnet sich durch eine bessere Performance im Vergleich zu gängigen Kontursuchalgorithmen wie „Canny Edge“ und „Snakes: Active Contour Models“ aus. Es wurde ein quantitativer Vergleich zwischen TSRS und etablierten IRT-Auswertemethoden wie Pulse Phase Thermography (PPT), Thermographic Signal Reconstruction (TSR) und Modified Differential Absolute Contrast (MDAC) auf Basis des Tanimoto-Kriteriums und der Signal-to-Noise-Ratio durchgeführt. Zusätzlich zur praxisnahen Anwendung wurden unterschiedliche Wärmequellen (Laser, Xenonblitz) und variierende Pulsformen untersucht, wodurch die methodische Robustheit der TSRS bei realen thermischen Szenarien evaluiert werden konnte.