Projekt 13501/01

Optimierung und Anwendung eines Verfahrens der optischen Sondierung der Wandhaftung historischer umweltgeschädigter Putzmörtel

Projektdurchführung

Carl von Ossietzky Universität Oldenburg Institut für Physik
26111 Oldenburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Historische Wandmalereien sind durch eine Vielzahl von umweltbedingten Schadensprozessen in ihrem Erhalt gefährdet, wobei es beispielsweise zu Ablösungen bemalter Putzbereiche vom Untergrund kommt. Zur Beurteilung notwendiger Erhaltungsmaßnahmen ist ein laseroptisches Verfahren entwickelt worden, um solche losen Putz- und Malschichten berührungslos und reproduzierbar auch aus großer Entfernung zu detektieren. Ziel ist es, das Meßverfahren im Hinblick auf einen praktischen Einsatz weiterzuentwickeln und zu optimieren, sowie die damit gewonnenen Ergebnisse abzusichern. Damit soll ein Übersichtsverfahren als Ergänzung der bei großen Objektflächen sehr aufwendigen und subjektiven Perkussionsmethode der Restauratoren zur Verfügung gestellt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Lokalisierung loser Putzbereiche erfolgt, indem diese mit Lautsprecherbeschallung zu Schwingungen angeregt und die induzierten Schwingungen optisch registriert werden. Da der Einfluß des Schalls auf die sensiblen Kunstwerke minimal gehalten werden muß, werden Schalldrücke verwendet, die selbst im Resonanzfall Schwingungsamplituden von nur wenigen Nanometern hervorrufen. Zur Detektion dieser winzigen Amplituden wird ein in seiner Empfindlichkeit entsprechend gesteigertes videoholografisches Meßsystem eingesetzt. Der Meßaufbau wird hinsichtlich Meßempfindlichkeit, Störanfälligkeit und Bedienungsfreundlichkeit verbessert, indem leistungsfähigere und kompaktere Komponenten eingesetzt werden. Zur Erhöhung der Aussagekraft und Verläßlichkeit der Ergebnisse werden mehrere Meßserien an verschie-denen historischen Baudenkmalen unterschiedlicher Wand- oder Deckenkonstruktion durchgeführt und die Ergebnisse mit denen verglichen, die mit der traditionellen Perkussionsmethode gewonnen wurden. Ergänzend werden Untersuchungen an Putzproben mit synthetisch erzeugten Fehlstellen durchgeführt. Im Hinblick auf einen praktischen Einsatz des Meßverfahrens wird eine automatische Bearbeitung des jeweils umfangreichen Bilddatenmaterials zur Erstellung einer Schadenskartierung entwickelt und bei den Messungen erprobt. Von der Firma Thalheim Spezial-Optik wird in enger Zusammenarbeit ein erster, noch nicht zur kommerziellen Verwendung geeigneter Prototyp unter den Gesichtspunkten der Produktions- und Bedienerfreundlichkeit, Alltagsrobustheit und Lebensdauer, Betiebssicherheit und wirtschaftlicher Herstellungsbedingungen entwickelt.


Ergebnisse und Diskussion

Für die automatische Steuerung des Meßablaufs mit Erzeugung der benötigten Signale und Aufnahme der Videobilder sowie deren Auswertung und der Präsentation der Ergebnisse ist eine Software mit einer Benutzeroberfläche unter Windows NT entwickelt worden. Diese Software orientiert sich in der Bedie-nungsfreundlichkeit und einfachen Handhabung an den Bedürfnissen von Restauratoren, ermöglicht eine weitgehend automatische Messung und Auswertung und erstellt eine Kartierung von schwingenden und damit losen Bereichen. Die dem Antrag zu Grunde liegende Auswertestrategie erwies sich bei der konkreten Ausarbeitung als nicht ausreichend geeignet, so daß Alternativen erarbeitet und geprüft werden mußten. Ausgewählt worden ist letztendlich ein Konzept auf Basis eines Phasenschiebeverfahrens. Die Leistungsfähigkeit der Auswertung ließ sich durch diesen Wechsel insbesondere bei schlechter Signalqualität erheblich verbessern. Zum einem ist damit ein deutlicher Fortschritt bei der Ausweitung der Grenzen des Meßverfahrens, zum anderen der Erhalt von Amplituden- und Phasenkarten für jede Untersuchungsfrequenz, die für weitere Auswertungen herangezogen werden können, verbunden. Durch den wesentlich größeren Aufwand für die Erarbeitung des Konzepts zur rechnergestützten Steuerung und Auswertung der laseroptischen Schwingungsmessung ist es zu einer zeitlichen Verzögerung von etwa 3 Monaten gekommen. Der Mehraufwand für die Umsetzung dieses Konzepts in eine Software verursachte eine Steigerung der Kosten für die Softwareerstellung in Höhe von etwa 8.000 DM gegenüber der bei Antragstellung avisierten Lösung.
Der Meßaufbau konnte hinsichtlich Meßempfindlichkeit, Störanfälligkeit und Bedienungsfreundlichkeit deutlich verbessert werden. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Verläßlichkeit des Systems sind optische Bauteile durch Komponenten mit optimierten Eigenschaften und Antireflexbeschichtung ersetzt worden. Damit ließ sich eine Reduzierung von Störungen, hervorgerufen durch unerwünschte Reflexionen, und eine Verbesserung der Lichtausbeute erzielen, so daß bei gleichen Reflexionsbedingungen des Objekts etwas größere Flächen auf einmal untersucht werden können. Die Störungen durch Umgebungslicht konnten durch Einsatz eines für die Laserwellenlänge passend gewählten Interferenzfilters im aufnehmenden optischen System, der im wesentlichen nur das vom Objekt zurückgestreute Licht mit der Wellenlänge des Lasers passieren läßt, erheblich reduziert werden.
Die Aussagekraft und Verläßlichkeit der Ergebnisse konnte bei Erprobungen an historischen Objekten und erstellten Probewänden mit künstlich erzeugten Haftungsfehlstellen erhärtet werden. Der größte Teil dieser Untersuchungen ist noch vor dem Vorliegen einer softwaremäßigen Unterstützung der Auswertung und damit noch rein manuell erfolgt. Die Software konnte erst zum Ende des Projekts abschließend fertiggestellt werden, weil bei der Abnahme der gelieferten Gesamtsoftware Probleme auftraten, die sich aufgrund der Komplexität des Programmes nicht rechtzeitig beheben ließen. So ist die abschließende Erprobung des Meßverfahrens unter Einsatz der endgültig fertiggestellten Software nur noch an den extra angefertigten Probewänden mit künstlich erzeugten Haftungsfehlern möglich gewesen. Dennoch konnte bei den durchgeführten Messungen eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse des videoholografischen Meßverfahrens mit denen der restauratorischen Perkussionsuntersuchung nachgewiesen werden. Es zeigte sich jedoch, daß das Meßverfahren unter sehr ungünstigen Bedingungen, wie z.B. stark beweglichen Untergründen oder starken Erschütterungen, selbst mit den verschiedenen getesteten passiven Maßnahmen zur Entkopplung des Meßkopfes vom Untergrund, nicht immer erfolgreich eingesetzt werden kann. Hier ist zukünftig noch Bedarf an der Entwicklung einer aktiven Regelung, die Bewegungen des Meßkopfes kompensiert und damit auch eine Messung unter solchen ungünstigen Bedingungen er-laubt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Mehrmals Präsentation des Meßverfahrens vor Studenten und Lehrenden aus dem Bereich Restaurierung; zum Abschluß des Projekts Präsentation der Ergebnisse vor einer Runde von Experten aus der Denkmalpflege; mehrere Veröffentlichungen in Fachzeitschriften und auf Tagungen


Fazit

Die gesteckten Ziele sind erreicht worden. Mit dem nun entwickelten Meßsystem kann den Restauratoren eine leistungsfähige Alternative zu der bei großen oder nur mit Gerüst erreichbaren Objektflächen sehr aufwendigen und subjektiven Perkussionsmethode angeboten werden. Die Firma Thalheim Spezial Optik plant den Bau und Vertrieb entsprechender Meßgeräte und rechnet damit, die Entwicklung des endgültigen Meßgeräts bis Ende 2001 abschließen zu können.