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Prism – Eigenspannungsmessung mit der Bohrlochmethode und optischer Verzerrungsmessung (ESPI)

Prism misst Eigenspannungen mit der Bohrlochmethode – schnell und genau. Wie bei der herkömmlichen Bohrlochmethode mit Dehnungsmessstreifen (DMS) werden Veränderungen der Probenoberfläche gemessen, die auf das Heraustrennen des Lochvolumens zurückzuführen sind, d.h. auf das Entfernen eines Teils der Eigenspannungen im Bauteil. Allerdings entfällt das oft aufwendige Aufbringen des DMS. Prism berücksichtigt ausserdem das gesamte Umfeld des Loches und nicht nur bestimmte Flächen. Die Oberflächenverzerrungen werden durch ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry) bestimmt. Die einzig nötige Probenvorbereitung ist in der Regel eine Säuberung der Oberfläche. Falls nötig wird eine dünne Farbschicht aufgesprüht.

2013 erscheint die völlig neue Prism-Software PrismS, mit einem modernen Interface und einfacher Navigation durch die Messdaten. Die berechneten Spannungsverläufe werden automatisch grafisch dargestellt, einschließlich direkter Vergleiche zwischen verschiedenen Messungen und verschiedener Berechnungen für die gleiche Messung. Die Qualität der Pixelinformation kann nun analysiert werden und gegebenenfalls können Messdaten durch Pixelinterpolation verbessert werden.

Das Prism-System umfasst als Standard:

  • Laser-Lichtquelle
  • Beleuchtungsstand
  • Kameraeinheit
  • Elektrische Hochgeschwindigkeitsbohrmaschine
  • PC
  • Softwarepaket zum Durchführen der Messungen und Berechnung von Eigenspannungsprofilen nach der Integralmethode

Wesentliche Vorteile

  • geringe Probenvorbereitung: saubere, nicht spiegelglatte Oberfläche
  • kontaktfreie Messung: keine Anbringung von DMS, nur freies Blickfeld erforderlich
  • schnell: detaillierte Eigenspannungstiefenprofile innerhalb einer halben Stunde
  • genau: mehr Daten durch Berücksichtigen des gesamten Umfeldes
  • bedienungsfreundlich: intuitive Software im Windows Betriebssystem
  • Probengeometrie: sehr anpassungsfähig; auch kleine Flächen und komplizierte Teile sind leicht zu messen
  • Werkstoffe: auch für Materialien, die für Röntgenbeugung problematisch ist, z.B. Titanlegierungen und Plastik; anwendbar für alle Proben in die Löcher mit guter Qualität gebohrt werden können
  • anpassungsfähig: kann speziell für Ihre Anwendung ausgerichtet werden

Bohrlochmethode

Die Bohrlochmethode misst Eigenspannungen indem man in ein Bauteil ein kleines Loch an der zu untersuchenden Stelle einbringt. Das Entfernen der Eigenspannungen in diesem Volumen erzwingt eine Umverteilung der verbleibenden Eigenspannungen, was dazu führt, dass sich die Oberfläche um das Loch herum verzerrt. Diese Oberflächenverzerrungen sind meist nur Bruchteile eines Mikrometers, können aber optisch mit ESPI aufgelöst werden. Die Charakteristik des Verzerrungsfelds erlaubt dann die Berechnung der im Bauteil vor dem Bohren vorhandenen Spannungen.

Die Bohrlochmethode wird als quasi-zerstörungfrei eingeordnet weil das eingebrachte Bohrloch so klein sein kann, dass die wesentlichen Bauteilfunktionen nicht beeinträchtigt werden.

Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI)

Die Probe wird mit kohärentem Laserlicht bestrahlt. Aufgrund optischer Rauigkeit , wie sie die meisten Probenoberflächen aufweisen, nimmt die Kamera kein scharfes Abbild der Probe auf. Jedes Pixel empfängt Licht von verschiedenen Punkten der Oberfläche. Diese Einzelstrahlen interferieren und produzieren ein sogenanntes Speckle-Muster, das Informationen über die Oberflächentopografie besitzt. Das Speckle-Muster ändert sich wenn sich die Oberfläche verschiebt.

Zur Beschreibung eines Oberflächenzustandes benutzt Prism jeweils einen Satz von vier Bildern, die sich durch den Referenzstrahl unterscheiden, der auch auf den Kamerasensor geleitet wird und dort mit dem Objektstrahl interferiert. Beim Referenzstrahl wird für die vier Bilder die Welle jeweils um 90° verschoben, d.h. die Bilder zeigen Interferenzmuster bei denen die Welle des Referenzstrahles um 0°, 90°, 180° und 270° verschoben ist. Damit lässt sich mathematisch für jedes Pixel ein Phasenwinkel bestimmen. Die Änderung des Phasenwinkels von einem Zustand zum nächsten beschreibt quantitativ wie sich die Oberfläche verschoben hat.

 PrismS Fringes

Messprozess

Eine typische Messung beginnt mit der Bestimmung der Position der Messoberfläche relativ zum Ende der Frässpitze. Die visuelle Oberflächenbestimmung ist Standard und für alle Materialien anwendbar. Für elektrisch leitende Materialien kann dies auch automatisiert werden (optional - modifizierter Bohrer).

Die eigentliche Messung umfasst die vom Benutzer gewählten Bohrschritte und Bildaufnahmen. Die Spannungsberechnung erfordert Bildsätze für jeweils den Ausgangs- und Endzustand. Die Bohrtiefen können frei gewählt werden.

Prism Software

Die Software gibt dem Benutzer zahlreiche Variablen um den Bohrvorgang und die Bildaufnahme an die Messgegebenheiten anzupassen. Der Benutzer kann jeden Schritt einzeln starten oder die Tiefenliste automatisch abarbeiten lassen. Die Bildaufnahme ist dann auch automatisch. Der Vorgang kann jederzeit unterbrochen und neu gestartet werden. Zur Dokumentation können Weißlichtbilder der Messfläche gespeichert werden.

Die neue Software stellt die berechneten Spannungsverläufe automatisch grafisch dar. Für jede Messung können mehrere Berechnungen durchgeführt, miteinander verglichen und gespeichert werden. Auch werden Ergebnisse verschiedener Messungen automatisch zusammen dargestellt.

Spannungsberechnung

Die Spannungsberechnung setzt einen ebenen Spannungszustand voraus. Die Tiefenprofile werden nach der Integral-Methode nach Schajer berechnet. Tichonow-Regularisierung, eine Art Kurvenglättung, ist optional. Spannungen werden für das Messkoordinatensystem, d.h. horizontal und vertikal, und das Hauptspannungssystem berechnet. Der Algorithmus berücksichtigt nur die Veränderungen von einer Bohrtiefe zur nächsten, sodass sich Messfehler nicht aufaddieren und die Berechnung selbst stabiler ist.

PrismS Graphs

Literatur zu Prism und Prism-Spannungsberechnung (Englisch)

  • M. Steinzig and E. Ponslet, "Residual Stress Measurement using the hole drilling method and laser speckle interferometry, Parts I-IV”, Experimental Techniques, Vol.27, Issues 3,4,5,&6, 2003
  • G. S. Schajer and M. Steinzig, “Full-Field Calculation of Hole-Drilling Residual Stresses from ESPI Data”, Experimental Mechanics, Vol.45, No.6, pp.526-532, 2005
  • G.S. Schajer and M.B. Prime, “Use of Inverse Solutions for Residual Stress Measurements”, J. Eng. Mater. Technol., 125(3), pp.375-382, 2006
  • Y. An and G. S. Schajer, “Pixel Quality Evaluation and Correction Procedures in ESPI”, Experimental Techniques, Vol.105, pp.106-112, 2010
  • G.S. Schajer and T.J. Rickert, “Incremental Computation Technique for Residual Stress Calculations Using the Integral Method”, Experimental Mechanics, Vol.51, No.7, pp.1217-1222, 2011

Literatur zur traditionellen Bohrlochmethode (Englisch)

  • ASTM E837 - 08e2 Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain-Gage Method
  • Good Practice Guide No. 53 - The Measurement of Residual Stresses by the Incremental Hole-Drilling Technique, P V Grant, J D Lord and P S Whitehead, The National Physical Laboratory, UK

Prism (auf Englisch)

Prism brochure

Prism brochure in English (pdf, 1500 KB)