Bereits heute kommen Laserscanner zum Einsatz, um die Geometrie von Bauwerken zu messen und Oberflächenschäden zu detektieren. Verborgene Fehlstellen konnten bisher allerdings nur mit dem sogenannten Hammerschlagtest nachgewiesen werden. Ein Forschungsteam am Fraunhofer IPM hat nun eine zerstörungsfreie Methode entwickelt, die auch tieferliegende Schadstellen mithilfe eines gepulsten Lasers aufspürt.
Sichtprüfungen sind noch immer eine weit verbreitete Methode, um den Zustand von Bauwerken zu beurteilen. Was aber, wenn sich Schäden unter der Oberfläche bilden? Verborgene Hohlstellen oder Materialablösungen (Delaminationen) sind oft ein erster Hinweis auf sich anbahnende größere Schäden. Sie möglichst früh zu entdecken, ist Teil einer vorausschauenden Instandhaltung von Tunneln, Brücken, Staumauern, Kanälen und anderen Infrastrukturbauwerken. Aber auch für kritische Baumaßnahmen wie etwa den Rückbau von Atomkraftwerken spielen Integritätsprüfungen eine wichtige Rolle.
Für eine vorausschauende Instandhaltung braucht es quantifizierbare Messdaten
Um diese verborgenen Fehlstellen aufzuspüren, ist bis heute der sogenannte Hammerschlagtest das Mittel der Wahl. Dabei wird die gesamte zu prüfende Oberfläche von Hand mit einem speziellen Prüfhammer abgeklopft – ein erheblicher Aufwand, da in der Regel sehr große Objekte geprüft werden. Als Sensor dient beim Hammerschlagtest allein das menschliche Ohr, das die durch den Schlag angeregten Resonanzschwingungen wahrnimmt. Die Prüfmethode ist nicht nur langwierig und damit kostspielig; sie liefert überdies keine objektiv quantifizierbaren Messergebnisse. Vergleiche über lange Zeiträume hinweg, die auf sich anbahnende Defekte hindeuten, sind daher nur schwer möglich. Für ein zeitgemäßes Zustandsmonitoring im Sinne des Building Information Modeling (BIM) sind zudem digitale Messdaten nötig.
Das am Fraunhofer IPM entwickelte berührungslose Verfahren nutzt einen starken gepulsten Laser, der den mechanischen Hammerschlag imitiert. Der Laser erzeugt einen Plasmablitz unmittelbar vor der Objektoberfläche, ohne diese zu schädigen. Verbergen sich Delaminationen, Hohlräume oder Defekte unter der Oberfläche, regt die plasmainduzierte Schockwelle charakteristische resonante Schwingungen der Oberfläche an – ähnlich wie beim Hammerschlag. Die Vibrationen werden mithilfe eines zweiten Lasers detektiert: Ein Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) misst die mechanische Schwingung der Betonoberfläche direkt über die Frequenzverschiebung des rückgestreuten Lichts. Amplitude und Frequenz der Schwingungen geben Aufschluss über die Größe und Tiefe der Hohlräume und Defekte. Ein motorisierter Spiegel lenkt den Laserstrahl entlang zweier Achsen über die zu prüfende Fläche ab. Mit dem aktuellen System können die Forschenden rund 100 m² mit einem Messraster von 10 Zentimetern innerhalb von nur 17 Minuten prüfen; bei geringerer Auflösung entsprechend schneller. Durch Parallelisierung und Optimierung von Systemkomponenten lässt sich der Aufnahmeprozess zusätzlich beschleunigen.
Zuverlässige Messungen aus mehreren Metern Abstand möglich
Bei Evaluierungsmessungen an einem Betonquader aus zwei Metern Entfernung war das laserbasierte System dem klassischen Hammerschlagtest überlegen: Mithilfe des laserinduzierten Körperschalls wurden Fehlstellen mit einer Größe von bis zu wenigen Zentimetern sicher detektiert, die mit der mechanischen Methode unentdeckt blieben. Um das System unter praktischen Bedingungen zu prüfen, wurden Messungen in mehreren ausgewählten Tunnelbauwerken gemacht. Nun arbeiten die Forschenden daran, das System für den praktischen Einsatz aufzurüsten und ein produktives System aufzubauen.
Das Projekt „LaserBeat Hammerschlagtest mit Licht – berührungslose und flächenhafte Inspektion von Tunneln auf Basis laserinduzierten Körperschalls“ wurde mit Fraunhofer-internen Mitteln finanziert und in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP bearbeitet. Das Projekt lief vom 01. April 2019 bis zum 31.12.2023. Weitere Informationen >>>