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Neue Prüfmöglichkeiten an der PTS: Thermografie-Kamerasystem

Im September 2020 wurde an der PTS ein modernes Thermografie-Kamerasystem in Betrieb genommen (vgl Abbildung 1). Das Photonische Hochleistungs-Prüfsystem XGA (Fa InfraTec GmbH Infrarotsensorik und Messtechnik, Dresden) arbeitet mit einer High-End-Kameraeinheit des Typs ImageIR® 9480 hp (Modell 2019) und ist daher auf dem aktuellsten Stand der Technik. Die Thermografie ist ein bildgebendes Messverfahren, welches die Oberflächentemperaturen von Objekten anzeigen kann.

Dies geschieht, indem die von einem Punkt ausgesendete Infrarotstrahlung detektiert und ihre Intensität gemessen wird, welche mit der vorliegenden Temperatur korreliert. Die Thermografiekamera wandelt demnach die für das menschliche Auge unsichtbare Infrarotstrahlung in elektrische Signale um, sodass im Auswerteprozess Temperaturunterschiede erkannt und untersucht werden können. Grundsätzliche Vorteile dieser Inspektionstechnik sind das bildgebende Funktionsprinzip, die hohe Prüfgeschwindigkeit mit Abtastfrequenzen > 1 kHz und die relativ einfache Automatisierbarkeit. Mit thermografischen Verfahren können ebenso unterhalb der Oberfläche liegende und daher äußerlich nicht sichtbare Fehlstellen in Werkstücken erkannt werden, indem der Wärmefluss bzw. die Wärmeleitfähigkeit in den Prüflingen analysiert wird.

Gefördertes Gerät: » Thermografie-Kamerasystem – Photonische HochleistungsPrüfsystem XGA

Förderprogramm und -kennzeichen: » „INNO-KOM Modul Investitionszuschuss wiss.-techn. Infrastruktur“ – Förderkennzeichen 49IZ200010 gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Forschungsstellen: » Papiertechnische Stiftung (PTS), Projektleiter: Benjamin Hiller, Martin Röllig

Abb.1: Kameraaufbau während eines Zugversuchs an Faltschachtelkarton

Die Anwendungsbereiche der neuen Kamera sind umfangreich und für viele Anwendungsfälle denkbar. Unter Anderem können infolge mechanischer Belastungen an Werkstoffen und der damit einhergehenden inneren Reibung entstehende Wärmesignaturen im Material untersucht werden. Die lokal unterschiedliche Erwärmung einer Probe kann dann zur vorzeitigen Detektion eines Versagenspunktes genutzt werden. Somit können Materialien genauer hinsichtlich ihres mechanischen (Bruch-) Verhaltens untersucht und auf Grundlage der gewonnenen Ergebnisse weiterentwickelt werden. Die entstehenden Bilder können zudem mit Aufnahmen der Optischen Dehnfeldanalyse, eines an der PTS seit mehreren Jahren verfügbaren Systems, abgeglichen und Gemeinsamkeiten sowie Unterschiede beider Verfahren erarbeitet werden.

Darüber hinaus sind Wärmeleitfähigkeitsuntersuchungen an z.B. porösen Papierstrukturen möglich. An den als Dämmstoff oder zur Kühlung von Luftströmen einsetzbaren Materialien sind insbesondere die durch die Anisotropie des Materials begründeten lokalen Inhomogenitäten sowie Übergangs- und Randbereiche wie auch Fügestellen von besonderem Interesse. Bereits kleinste Abweichungen können bei Isolationsmaterialien Wärmebrücken verursachen und durch Tauwasserkondensation letztendlich zum Versagen führen.

Ein weiteres Forschungsfeld ist die Kristallisation von Wachsen auf (Papier-) Oberflächen. Die im Zuge der Abkühlung aufgrund einer Phasenumwandlung entstehenden plättchenförmigen Wachsstrukturen und der zugrundeliegende Bildungsprozess können mit dem neuen Systemen beobachtet und analysiert werden, da die Größe der Strukturen von wenigen Mikrometern und ihre ausgesprochen schnelle Bildung innerhalb weniger Sekunden nun detektierbar sind. Direkt auf Papier bzw Karton mit leitfähigen Tinten gedruckte Leiterbahnen - sog gedruckte Elektronik - müssen im Verpackungs- und Logistikbereich enorme mechanische Belastungen, wie Reibungs-/ Scheuereinflüsse, Beugen und Strecken der Leiterbahn oder Rillen und Falzen, überstehen. Die Widerstandsfähigkeit solcher Leiterbahnen muss schon im Vorfeld untersucht werden. Das frühzeitige Identifizieren der Erstehung von lokal verteilten Mikrorissen durch Thermografiemessungen der Leiterbahn während der Belastungssimulation, macht dies möglich.

Es bietet sich an, solche Versagensstellen durch einen Nachdruck auszugleichen. Generell können daraufhin die Streich- und Druckparameter so angepasst werden, dass die Schwachstellen in der Leiterbahn minimiert werden. Bei Untersuchungen der Fälschungssicherheit von tonerbasierten Digitaldrucken fallen zunehmend prüfpositionsspezifische Unterschiede an den getesteten A4-Ausdrucken bei mechanischen Radierversuchen auf. Die Ursachen hierfür liegen im Fixiervorgang, welcher durch Wärme- und Druckübertragung beeinflusst wird. Ein Eingriff in den unmittelbaren Fixierprozess ist aus gerätetechnischen Gründen nicht möglich. Dies soll durch die Ermittlung der Wärmeverteilung am Ausdruck selbst unmittelbar nach der Herstellung kompensiert werden. Hierbei werden Temperaturdifferenzen innerhalb der Fläche eines DIN A4-Blattes erwartet, welche Hinweise auf die ortsabhängige Fixierqualität und damit Radierfestigkeit der Druckzeichen geben können.

Abb.2: Ungleichmäßige Temperaturverteilung beim Aufheizvorgang eines flächigen papiertechnologisch hergestellten Heizelemente

Das Erkennen von inneren Defekten bei hierarchisch aufgebauter hochgefüllter papierabgeleiteter Keramiken, die Messung von Temperaturverteilungen und Verläufen von Erwärmung/Abkühlung bei Heizelementen aus Papier (vgl. Abbildung 2) oder Kühltragetaschen, die Untersuchung von Feuchtekondensation bei lokaler Abkühlung bzw. an PapierMetall-Kontaktstellen sowie die Untersuchung des Abbrennverhaltens von Papieren und papierabgeleiteten Werkstoffen runden das Einsatzspektrum für diese Technik ab.

Zur Erfüllung all dieser modernen messtechnischen Aufgaben bietet das Thermografie Messsystem folgende Spezifikationen:

• Selbstkühlendes Messsystem zur Reduzierung des Einflusses der Eigenerwärmung der Kamera auf das Messergebnis mittels Stirling-Rotationskühler was eine bestmögliche Kombination aus maximaler Empfindlichkeit, Genauigkeit, Raumaufl ösung und Geschwindigkeit biete • Großes Detektorformat von (1 280 x 1 024) Infrarot-Pixel

• Hohe thermische Auflösung im Bereich von < 30 mK

• Bildfrequenz von 180 Hz im Vollbild (bis zu 2 601 Hz auf Linie) durch eine geringe Integrationszeit (Belichtungsdauer) der Kamera

• Modulares Grundkonzept zur optimalen Anpassung des Messsystems an die jeweilige Messaufgabe mit verschiedenen Objektiven (Makro, Standard, Tele)

• Triggerinterface und passende Schnittstellen für Adaption an vorhandene Messtechnik

• Geringe Größe und Gewicht für mobile und ortveränderliche Einsatzmöglichkeiten

Benjamin Hiller,

benjamin.hiller@ptspaper.de

Martin Röllig,

martin.roellig@ptspaper.de