Schnelle Bewegungen lassen sich heute sehr genau filmen. Doch bei vielen Prüfaufgaben reicht ein normales Bild nicht aus. Denn neben der Form verändert sich oft auch die Temperatur. Genau diese Verbindung ist wichtig, wenn dynamische Prozesse sicher bewertet werden sollen.
Ein Beispiel dafür ist die Forschung am Fraunhofer IOF in Jena. Dort wurde ein Messsystem entwickelt, das schnelle 3D-Daten mit thermischen Daten kombiniert. Dafür werden zwei Highspeed-Kameras, ein spezieller Projektor und eine FLIR High-Speed-Wärmebildkamera zusammen eingesetzt.
Das Ergebnis ist eine 3D-Thermografie, die nicht nur zeigt, wo sich ein Objekt befindet. Sie zeigt auch, wie sich seine Temperatur während einer sehr schnellen Bewegung verändert.
Warum schnelle Prozesse schwer zu messen sind
Bei einem Airbag, einem Crashtest oder einer Sportbewegung passiert in wenigen Millisekunden sehr viel. Die Form verändert sich schnell. Gleichzeitig entstehen lokale Temperaturunterschiede, etwa durch Reibung, Dehnung, Druck oder Verformung.
Normale Kameras erfassen nur die sichtbare Bewegung. Wärmebildkameras erfassen dagegen die Temperatur. Trotzdem fehlt dabei zunächst die räumliche Tiefe. Deshalb war es lange schwierig, Formänderung und Temperaturverlauf gleichzeitig sauber zu verbinden.
Die Lösung des Fraunhofer IOF setzt genau an dieser Stelle an. Sie verknüpft die 3D-Form eines Objekts mit den thermischen Daten einer schnellen FLIR Infrarotkamera.
Wie das 3D-Thermografie-System arbeitet
Das Messsystem nutzt zwei schnelle Schwarz-Weiß-Kameras. Diese Kameras erfassen das Objekt aus leicht unterschiedlichen Blickwinkeln. Dadurch kann die Software später eine räumliche Form berechnen.
Zusätzlich kommt ein GOBO-Projektor zum Einsatz. Er projiziert sehr schnelle Streifenmuster auf das Objekt. Diese Muster helfen den Kameras dabei, einzelne Bildpunkte eindeutig zuzuordnen.
Parallel dazu nimmt eine FLIR X6900sc SLS Wärmebildkamera die Temperaturdaten auf. Da alle Kameras gleichzeitig messen, können die 3D-Daten und die Wärmebilddaten später zusammengeführt werden. So entsteht ein räumliches Wärmebild.
Was die FLIR X6900sc SLS dabei leistet
Die FLIR X6900sc SLS ist eine gekühlte LWIR-Wärmebildkamera für Forschung und Entwicklung. Im beschriebenen Aufbau arbeitet sie mit bis zu 1000 Bildern pro Sekunde bei 640 x 512 Pixeln. Dadurch kann sie sehr schnelle Wärmeverläufe sichtbar machen.
Gerade bei kurzen Vorgängen ist diese Geschwindigkeit wichtig. Denn viele relevante Temperaturänderungen treten nur für sehr kurze Zeit auf. Wird zu langsam gemessen, gehen diese Informationen verloren.
Außerdem arbeitet die Kamera im langwelligen Infrarotbereich. Das ist in diesem Aufbau ein Vorteil, weil der GOBO-Projektor im sichtbaren und nahen Infrarotbereich arbeitet. Dadurch stört die Projektion die thermische Messung nicht.
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Aus 2D-Wärmebild und 3D-Form wird ein neues Messbild
Ein klassisches Wärmebild zeigt Temperaturwerte in einer zweidimensionalen Ansicht. Für viele Anwendungen reicht das aus. Bei schnellen Verformungen kann diese Ansicht jedoch zu wenig sein.
Wenn ein Objekt seine Form stark verändert, ist die räumliche Lage entscheidend. Deshalb werden die Wärmebilddaten beim Fraunhofer-System auf die berechnete 3D-Form gelegt. Jeder Temperaturwert erhält dadurch einen räumlichen Bezug.
So lässt sich nicht nur erkennen, dass ein Bereich warm wird. Es wird auch sichtbar, an welcher Stelle im Raum diese Erwärmung entsteht.
Beispiel Airbag: Temperatur und Bewegung gleichzeitig erfassen
Ein Airbag entfaltet sich extrem schnell. Dabei verändern sich Form, Lage und Oberfläche in Bruchteilen einer Sekunde. Gleichzeitig können lokale Temperaturanstiege entstehen.
Mit der 3D-Thermografie lässt sich der Vorgang räumlich und thermisch auswerten. Dadurch wird sichtbar, wann der Airbag welche Form annimmt und an welchen Stellen sich Wärme bildet. Fraunhofer IOF beschreibt unter anderem Messungen aus rund 3 m Entfernung über etwa eine halbe Sekunde. Dabei wurde eine lokale Erwärmung des Airbags auf bis zu 60 °C sichtbar.
Solche Daten können in der Fahrzeugentwicklung wichtig sein. Denn sie helfen dabei, Abläufe besser zu verstehen und mögliche Risiken für Insassen genauer zu bewerten.
Beispiel Sport: Bewegung, Kontakt und Wärme sichtbar machen
Auch bei Sportbewegungen kann die Kombination aus 3D-Daten und Wärmebild interessant sein. Ein Basketball verformt sich beim Kontakt mit der Hand oder dem Boden. Gleichzeitig kann sich die Oberfläche durch Druck, Reibung und Bewegung lokal erwärmen.
Ein normales Video zeigt die Bewegung. Die 3D-Thermografie zeigt zusätzlich die räumliche Form und die thermische Reaktion. Dadurch lassen sich dynamische Abläufe deutlich genauer untersuchen.
Solche Messdaten können in Forschung, Materialprüfung oder Produktentwicklung genutzt werden. Besonders wertvoll sind sie, wenn Form, Belastung und Temperatur zusammen betrachtet werden müssen.
Warum Kalibrierung so wichtig ist
Damit 3D-Daten und Wärmebilddaten korrekt zusammenpassen, muss das System präzise kalibriert werden. Die sichtbaren Kameras und die Infrarotkamera sehen das Objekt aus unterschiedlichen Perspektiven. Daher muss die Software wissen, wie die Bilddaten zueinander liegen.
Das Fraunhofer-Team nutzt dafür ein spezielles Kalibriermuster. Es muss sowohl für die sichtbaren Kameras als auch für die LWIR-Kamera erkennbar sein. Deshalb wurden Materialien mit unterschiedlichen optischen und thermischen Eigenschaften gewählt.
Erst durch diese Kalibrierung lassen sich Temperaturwerte sauber auf räumliche Koordinaten übertragen.
Vorteile für Forschung und Entwicklung
High-Speed-Thermografie ist besonders dann nützlich, wenn Prozesse sehr schnell ablaufen. Gleichzeitig hilft sie, wenn reine Bilddaten oder reine Temperaturdaten nicht ausreichen.
Typische Anwendungen sind zum Beispiel:
- Airbag-Tests
- Crashtests
- schnelle Materialverformung
- Reibungsprozesse
- Sport- und Bewegungsanalyse
- explosionsartige Vorgänge
- Prüfstände in Forschung und Entwicklung
- thermische Analyse schneller Bauteilprozesse
In all diesen Fällen geht es nicht nur um schöne Bilder. Entscheidend sind messbare Daten, die Abläufe besser erklärbar machen.
Was diese Anwendung über FLIR Forschungskameras zeigt
Der Aufbau am Fraunhofer IOF zeigt, wie flexibel FLIR High-Speed-Wärmebildkameras in komplexe Messsysteme eingebunden werden können. Die Kamera liefert dabei nicht nur ein Wärmebild. Sie liefert schnelle, auswertbare Messdaten für wissenschaftliche Analysen.
Das ist ein wichtiger Unterschied zu einfachen Thermografie-Anwendungen. In Forschung und Entwicklung müssen Messsysteme oft synchronisiert, kalibriert und in bestehende Prüfstände integriert werden.
FLIR Kameras der X-Serie sind für solche Aufgaben ausgelegt. Sie eignen sich für schnelle thermische Vorgänge, präzise Messdaten und anspruchsvolle Labor- oder Prüfstandsumgebungen.
High-Speed-Thermografie macht schnelle Vorgänge messbar
Die Kombination aus 3D-Messung und Thermografie eröffnet neue Möglichkeiten. Schnelle Prozesse lassen sich nicht nur räumlich erfassen, sondern auch thermisch bewerten. Dadurch entsteht ein deutlich vollständigeres Bild des Vorgangs.
Das Fraunhofer IOF zeigt mit seinem System, wie solche Daten in der Praxis zusammengeführt werden können. Die FLIR X6900sc SLS liefert dabei die schnellen Wärmebilddaten, während die 3D-Kameras die räumliche Form erfassen.
Für Forschung, Entwicklung und Prüfung ist das ein starkes Beispiel. Denn viele technische Prozesse lassen sich erst dann wirklich verstehen, wenn Bewegung, Form und Temperatur gemeinsam betrachtet werden.
FAQ
High-Speed-Thermografie ist die schnelle Aufnahme thermischer Daten mit einer Infrarotkamera. Sie wird eingesetzt, wenn Temperaturänderungen in sehr kurzen Zeiträumen sichtbar und messbar gemacht werden sollen.
3D-Thermografie kombiniert räumliche 3D-Daten mit Temperaturdaten. Dadurch lassen sich Wärmeverteilungen nicht nur in einem flachen Bild, sondern auf einer dreidimensionalen Objektform darstellen.
Im beschriebenen Fraunhofer-System liefert die FLIR X6900sc SLS die schnellen LWIR-Wärmebilddaten. Diese Daten werden anschließend mit den 3D-Daten der sichtbaren Kameras zusammengeführt.
Die Technik eignet sich für schnelle Prozesse wie Airbag-Auslösung, Crashtests, Materialverformung, Reibung, Sportbewegungen oder andere dynamische Prüfaufgaben.
Eine normale Kamera zeigt nur sichtbare Bewegung. Sie misst jedoch keine Temperatur. Eine Wärmebildkamera zeigt dagegen, wo Wärme entsteht und wie sich diese Wärme über die Zeit verändert.
