Neues Messverfahren zur Prüfung von Schweißnähten unter Wasser

Unterwasserbauwerke wie Brücken, Offshore-Windkraft- oder Hafenanlagen sind hohen statischen, dynamischen und durch den Betrieb und das Wasser auch korrosiven Belastungen ausgesetzt. Der Zustand der Bauteile, insbesondere der Schweißnähte, muss entsprechend geltender Normen und Richtlinien regelmäßig überprüft werden. Bisher sind hierfür Taucher im Einsatz, die die Nähte sichten und kontrollieren. Deren Einsätze sind teuer und zeitlich begrenzt (ein Tauchgang dauert maximal 40 Minuten). Zudem sind die Ergebnisse ungenau und subjektiv, da die Prüfung von den Fähigkeiten des Beobachters abhängt und durch schlechte Sichtbedingungen unter Wasser teils kaum möglich ist.

Wissenschaftler der Jade Hochschule entwickelten nun in Kooperation mit Partnern aus der Wirtschaft eine teilautomatisierte, hochgenaue Methode zur dreidimensionalen Oberflächenvermessung von Schweißnähten unter Wasser.

Herausforderungen: kleinste Details, schlechte Sicht

„Das Messsystem muss hohe Anforderungen erfüllen, da im Gegensatz zu Messungen an der Luft unter Wasser veränderte, sich variierende Brechungseigenschaften des Lichts herrschen“, erklärt Projektleiter Prof. Dr. Thomas Luhmann vom Institut für Angewandte Photogrammetrie und Geoinformatik. Zudem würden Strömungen, Algen, Schwebstoffe und Sedimente die Messungen erschweren. (Siehe Bild links: Demonstrator im Testbecken mit klarem Wasser; Foto: Oliver Kahmen/Jade HS)

Untersucht werden kleinste Detailstrukturen von einem zehntel Millimeter. „Das entspricht in etwa der Dicke eines Haares und liegt an der Grenze des natürlichen Auflösungsvermögens des menschlichen Auges.“

Optisches dreidimensionales Messverfahren

Die Wissenschaftler entwickelten ein Einkamera-System, das mechanisch sehr nah entlang der Schweißnaht geführt wird. Zwei Einzelbilder werden genutzt um Stereopaare zu bilden. „Mithilfe von zwei Bildern können wir, ähnlich dem menschlichen Sehvermögen, die Szene dreidimensional rekonstruieren“, sagt der wissenschaftliche Mitarbeiter Oliver Kahmen. Die Messtechnik ist der an Luft sowie unter Wasser einsetzbar. Sogar im verdreckten Wasser mit einer Sichtweite von rund 20 Zentimetern sind 3D-Messungen möglich.

„Die Rekonstruktionsergebnisse sind auch bei schlechteren Sichtbedingungen sehr gut“, erklärt Kahmen. Neben der Objektivität und der hohen Qualität sowohl der Bilddaten als auch des 3D-Oberflächenmodells sei ein entscheidender Vorteil, dass sämtliche Daten automatisiert gespeichert werden können. Da die Messungen regelmäßig durchgeführt werden müssen, können die Daten auch über Jahre noch ausgewertet und verglichen werden, sodass ein Veränderungsprozess dokumentiert werden kann.

Effizientere Abläufe und virtuelle Schweißnahtprüfung in der Ausbildung

„Basierend auf unseren Arbeiten eröffnet sich großes Potenzial für weitere Forschungsprojekte", resümiert der Projektleiter Luhmann. „Durch die Weiterentwicklung des Verfahrens könnten zukünftig Produktions- und Prüfabläufe effizienter gestaltet werden, wodurch ein großer wirtschaftlicher Mehrwert entstehen kann.“ (Siehe Bild rechts: Detailansicht des Demonstrators. Die Kamera blickt durch die halbrunde Abdeckung auf die von LED-Streifen beleuchtete Szene; Fotos: Oliver Kahmen/Jade HS)

Zukünftige Forschungsarbeiten werden sich auf die automatisierte Analyse der Oberflächendaten, zum Beispiel zur Risserkennung, und die Weiterentwicklung des Demonstrators konzentrieren.

Langfristig wäre denkbar, dass das Messsystem mit autonomen Unterwasserfahrzeugen, wie sie in einem anderen Forschungsprojekt der Jade Hochschule (EITAMS) derzeit entwickelt werden, an die Prüfstellen gebracht wird. Neben den messtechnischen Aspekten könnten aufbauend auf dem System auch Virtual Reality Anwendungen entwickelt werden, um virtuelle Schweißnahtprüfungen durchzuführen. So könnte der aufwendige praktische Teil der Ausbildung von Schweißfachingenieuren_innen reduziert und zunächst virtuell erprobt werden. Gut vorbereitete Anwärter würden so viel Zeit und Aufwand unter Wasser sparen. In der Unterwasserarchäologie beispielsweise sind solche Verfahren bereits erfolgreich etabliert.

Über das Forschungsprojekt

Das Forschungsprojekt „Entwicklung eines kompakten Prototyps zur hochgenauen 3D-Oberflächenmessung unter Wasser“ wurde durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert (ZW 6-85003503) und im Februar 2020 abgeschlossen.