Luftgestützte Thermografie Einsatzmöglichkeiten in der ... · die Thermografiekamera sowie für...

Luftgestützte ThermografieAnwendungsmöglichkeiten in der Flugzeugwartung


Die Betriebssicherheit von Bauteilen hängt von der regelmäßigen Überprüfung ab.

Die Thermografie als Verfahren der zerstörungsfreien Bauteilprüfung spielt dabei eine besondere Rolle.

Die Überprüfung großer Bauteile verursacht dabei oftmals eine Vielzahl an Problemen.

Die luftgestützte Thermografie ist in der Lage, diese Herausforderung anzunehmen.

Das hier vorgestellte studentische Projekt wurde durch TUI flyunterstützt.

Seite 2

Einleitung


Visualisierung der Primärstruktur eines Luftfahrzeuges (B 737-800).

Ein entsprechender Versuchsaufbau wurde mit Studierenden im Projektlabor für Werkstoffe im Flugbetrieb in der Werkstofftechnik realisiert.

Als Geräteträger für die IR-Kamera diente der laboreigene Hexacopter.

Hexacopter und IR-Kamera bilden das Thermografie-Prüfsystem.

Seite 3

Quelle: F.W. Bauer mit freundlicher Genehmigung durch TUI fly

Prüfaufgabe


Am Hexacopter kam ein UAV-taugliches Mikrobolometer FPA, mit 336x256 IR-Pixel im Spektralbereich von 8-13 μm, zum Einsatz.

Ein FPA, Focal Plane Array, besteht aus flächig angeordneten Einzeldetektoren.

Die auftreffende elektromagnetische Strahlung induziert eine Temperaturerhöhung des Detektors und damit eine Veränderung des elektrischen Widerstandes.

Seite 4

Quelle: F.W. Bauer

Das Thermografie-Prüfsystem (1)


Seite 5

Der laboreigene Hexacopter ist Geräteträger für die Thermografiekamera sowie für Bauteile aus additiver Fertigung und Faserverbundstrukturen.

Polymerbasierte Stromleiter werden seit einiger Zeit ebenfalls mithilfe des Hexacopters erprobt.

Quelle: F.W. Bauer

Das Thermografie-Prüfsystem (2)


Seite 6

Mit Hilfe der Thermografie wird dieWärmeverteilung auf der Oberflächeeines Bauteils visualisiert.

Darstellung:

• Warme Bereiche rot oder weiß

• Kühle Bereiche blau oder grau

Quelle: F.W. Bauer

In der Werkstoffprüfung werden üblicherweise Graustufen-Thermogramme verwendet!

Thermografie allgemein (1)


Seite 7

Der Temperaturbereich (Span) des Thermogramms wird in 256 Farbstufen bzw. Grauschattierungen aufgeteilt.Eine Thermografiekamera misst nur IR-Strahlungsintensitäten und keine Temperaturen!

Span

Quelle: F.W. Bauer



Seite 8

Der Emissionsgrad [ε] ermöglicht es, die von der Thermografiekameraaufgenommene IR-Strahlungsintensität einer Temperatur zuzuordnen.

Der Emissionsgrad sollte einen möglichst hohen Wert besitzen, damit eine ausreichend hohe Strahlungsintensität von dem zu prüfenden Körper emittiert wird.

Damit wird sichergestellt, dass ein möglichst hoher thermischer Kontrast zwischen Fehlstellen und intakter Struktur erreicht wird.



Seite 9

Passive Thermografie:

• Prüfung eines Objektes im thermischen Gleichgewicht.

Aktive Thermografie:

• Prüfobjekt wird durch eine externe Wärmequelle aus dem thermischen Gleichgewicht gebracht.

Fehler im Bauteil behindern den Wärmetransport. Dadurch wird eine inhomogene Wärmeverteilung auf der Bauteiloberfläche erzeugt.



Eine Thermografieprüfung ist nur dann aussagekräftig, wenn das Erscheinungsbild möglicher Fehlstellen bekannt ist.

Aus diesem Grunde werden vor der eigentlichen Prüfung Thermogramme von Vergleichskörpern aufgenommen.

Seite 10

Quelle: F.W. Bauer

Thermografie Skalierung

Vergleichskörper = ausgemustertes Originalbauteil mit bekannten bzw. definierten Fehlstellen.


Für das studentische Projekt in Zusammenarbeit mit TUI fly kam ein Rumpfausschnitt eines Luftfahrzeuges (A310-300) zum Einsatz.

Die Beplankung des Bauteils besteht aus einer AlCu-Legierung (AA 2024), die Primärstruktur (Spanten/Stringer) aus einer AlZnMg(Cu)-Legierung (AA 7075).

Seite 11

Quelle: F.W. Bauer

Vergleichskörper


Seite 12

Vergleichskörper Aufbau/Struktur

Lap joint, überlappende Verbindung zweier Beplankungsbleche

Spant

Stringer

Quelle: F.W. Bauer


Seite 13

Vergleichskörper Oberflächenbeschaffenheit

Quelle: F.W. Bauer

Bereich ohne Beschichtung (Al anodisiert)

Reparaturbereich Korrosion

Originallack

Kabel Messsonde

Lap joint


Seite 14

Die Verbindung Spant/Außenhaut wurde auf einer Länge von 125 mm durch das Entfernen eines Winkels gelöst, siehe rote Markierung.

Dieses Schadensbild entspricht nicht der Realität!

Es wird lediglich eine Fehlstelle dargestellt, die zuverlässig auf dem Thermogramm identifiziert werden kann.

Quelle: F.W. Bauer

Vergleichskörper Präparation (1)


Seite 15

Die Zwischenräume wurden mit einer Wärmedämmung ausgestattet.

Hinter der Dämmung wurde eine Heizdecke installiert, welche die warme Flugzeugkabine simuliert und so die Primärstruktur erwärmt.

Durch die Öffnung der Fenster wurde ein Temperaturgradient erzeugt.

Quelle: F.W. Bauer

Vergleichskörper Präparation (2)


Vergleichskörper und Thermografie-Prüfsystem wurden im Projektlabor in einer praxisnahen Anordnung positioniert.

Das Prüfsystem befindet sich in dieser Konfiguration ca. vier Metern von der Oberfläche des Vergleichskörpers entfernt.

Seite 16

Quelle: F.W. Bauer

Vergleichskörper Prüfanordnung


Seite 17

Vergleichskörper Thermogramm Interpretation (1)

Präparierte Fehlstelle (Veränderung in der Graustufenverteilung)

Spant

Quelle: F.W. Bauer

260mm


Seite 18

Vergleichskörper Thermogramm Interpretation (2)

Quelle: F.W. Bauer

Lap joint (starke Erwärmung)

Reflexionen thermischer Störquellen (Heizung)

Bereich ohne Beschichtung

Heizdecke

Kabel Messsonde260mm


Seite 19

Die Steuerung des Hexacopters erfolgteohne GPS.

Die IR-Kamera (Übertragung des Live-Bildes) wurde mithilfe einer RC-Anlage gesteuert.

Durch die Öffnung der Hangartore wurde ein Temperaturgradient erzeugt.


Thermografie am Luftfahrzeug (1)


Seite 20

Thermografie am Luftfahrzeug (2)Interpretation des Thermogramms

Lap joint

Geöffnetes Cockpitfenster

Spant

Befestigungspunkte Radom

Pitot-Sonde


Cockpitsektion B 737-800


Seite 21

Die Anzeige hat mit der Positionsveränderung des Hexacopters auch ihre relative Position verändert! Es handelt sich also um eine Scheinanzeige!


Seitenleitwerk B 737-800

Thermografie am Luftfahrzeug (3)Interpretation des Thermogramms


Seite 22

Thermografie am Luftfahrzeug (4)Identifikation thermischer Störquellen

Heizgeräte an der Hallendecke und den Wänden waren Auslöser der Scheinanzeigen auf dem Seitenleitwerk.



Seite 23

• Die Überprüfung schwer zugänglicher Bereiche erfolgt berührungsfrei und bildgebend.

• Screening großer Baugruppen ist möglich.

• Der Wartungsablauf wird nicht beeinträchtigt.

• Wartungspersonal kann auffällige Bereiche gezielter überprüfen.


Luftgestützte Thermografie Fazit (1)Vorteile


Seite 24

• Aus luftrechtlichen Gründen ist der Einsatz auf einem Flughafengelände nur in einem geschlossenen Hangar möglich.

• Ein Abgleich mit passenden Vergleichskörpern ist notwendig.

• Die Erzeugung eines Temperaturgradienten ist notwendig.


Luftgestützte Thermografie Fazit (2)Limitierungen


Die luftgestützte Thermografie ist dazu geeignet, ein Screening großflächiger und/oder schwer zugänglicher Bauteile bzw. Baugruppen vornehmen zu können.

Das Verfahren soll dabei keineswegs etablierte Prüfverfahren ersetzen, sondern lediglich dort, wo es sinnvoll ist ergänzen.

Das Verfahren ermöglicht somit einen effizienten Sicherheitszuwachs.

Seite 25

Luftgestützte Thermografie Fazit (3)


Kontakt:

[email protected] Projektlabor für Werkstoffe im Flugbetrieb in der Werkstofftechnik

Seite 26

Luftgestützte Thermografie Einsatzmöglichkeiten in der ... · die Thermografiekamera sowie für...

Documents

Transcript of Luftgestützte Thermografie Einsatzmöglichkeiten in der ... · die Thermografiekamera sowie für...