Shearografie
Shearografie (auch Shearography oder Laser-Speckle-Shearografie) ist ein berührungsloses, flächenhaftes optisches Messverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung, das auf dem Prinzip der Laserinterferometrie basiert. Es misst Verformungsgradienten (Ableitungen der Deformation) an der Bauteiloberfläche und ist damit empfindlich für oberflächennahe Fehler wie Delamination, Hohlräume und Klebstoffversagen.
Messprinzip
Kohärentes Laserlicht beleuchtet die zu prüfende Oberfläche. Das von der rauhen Oberfläche diffus reflektierte Licht erzeugt ein charakteristisches Speckle-Muster. Im Shearografie-Kopf wird das reflektierte Licht durch ein optisches Element (z. B. ein Keilprisma oder eine diffraktive Optik) in zwei leicht gegeneinander versetzte Bildkopien aufgeteilt – dieser Versatz wird als „Shear" bezeichnet. Beide Bildkopien interferieren auf dem Detektor und erzeugen ein Interferenzmuster.
Wird das Bauteil nun durch eine Laständerung (mechanisch, thermisch, durch Vakuum oder Innendruck) minimal verformt, ändert sich das Interferenzmuster. Die Differenz zwischen Bild vor und nach der Belastung – das Shearogramm – zeigt Bereiche, in denen der Deformationsgradient vom Normalzustand abweicht. An Fehlerorten führt die veränderte lokale Steifigkeit zu charakteristischen „Schmetterlingsmustern" im Shearogramm.
Lasteinbringung und Anregungsarten
- Thermische Anregung: Kurze Wärmeimpulse durch Halogenlampen oder Laser erzeugen differentielle Wärmedehnung; besonders empfindlich für Delamination in CFK.
- Vakuumanregung: Druckänderung in einer Vakuumglocke über dem Bauteil; effektiv für die Prüfung von Klebeverbindungen und Sandwichstrukturen.
- Mechanische Last: Zug, Druck oder Vibration des Bauteils erzeugen Deformationen.
- Innendruckanregung: Druckbehälter und Rohrleitungen werden bei verändertem Innendruck inspiziert.
CFK-Prüfung
In der Luft- und Raumfahrtindustrie ist Shearografie ein etabliertes Verfahren zur Prüfung von CFK-Bauteilen (Rumpfschalen, Flügelhäute, Ruderanordnungen). Im Vergleich zur Ultraschallprüfung bietet Shearografie den Vorteil der flächenhaften, berührungslosen Messung ohne Koppelmittel. Delamination, Impact-Schäden und Klebstoffversagen sind in Echtzeit und über große Flächen (bis mehrere m²) sichtbar.
Vorteile und Grenzen
- Flächenhafte Prüfung: Ganze Bauteilbereiche werden in einem Messvorgang erfasst, ohne Abtasten.
- Berührungslos und koppelmittelfrei: Ideal für empfindliche Oberflächen und Verbundwerkstoffe.
- Portabel: Kompakte Shearografie-Köpfe ermöglichen den Feldeinsatz.
- Grenzen: Nur oberflächennahe Fehler sind detektierbar; die Fehlergröße im Tiefenprofil ist nicht direkt messbar; glatte, stark reflektierende Oberflächen erfordern Mattierungssprays.
Normen
Shearografie ist in EN ISO 9712 als anerkanntes ZfP-Verfahren aufgeführt. ASTM E2581 beschreibt die Durchführung der Shearografie-Prüfung für industrielle Anwendungen. In der Luft- und Raumfahrt wird die Methode nach EN 4179 / NAS 410 qualifiziert.