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Im Bereich der Zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) im Bauwesen werden eine Vielzahl von Messdaten erfasst. Obwohl Sie als Grundlage für wissenschaftliche Analysen dienen, gibt es noch keine einheitliche Repräsentation der Daten. Eine Analyse verschiedener verteilter Datensätze über unterschiedliche Prüfobjekte hinweg ist daher kaum möglich.
Wir stellen einen Ansatz für ein integriertes Datenmanagement verteilter Datensätze auf Basis von Semantic-Web Technologien vor. Der Ansatz basiert im Kern auf einem mathematischen Modell – der sogenannten Ontologie – welches das Wissen unserer Domäne ZfPBau repräsentiert. Die von uns entwickelte ZfPBau Ontologie wird mit Datenquellen verknüpft und beschreibt so die semantische Bedeutung der Daten. Darüber hinaus fungiert die Ontologie als zentrales Konzept für den Datenbankzugriff. Domänen-fremde Datenquellen können durch die Verknüpfung mit der ZfPBau Ontologie einfach integriert werden und stehen zur generischen Nutzung im Sinne der Digitalisierung direkt zur Verfügung. Basierend auf einer umfangreichen Literaturrecherche, skizzieren wir die Möglichkeiten die sich daraus für die ZfP im Bauwesen ergeben, wie zum Beispiel Messdaten computergestützt zu sortieren, zu analysieren, Zusammenhänge zu erkennen und zu erklären.
Der erwartete Nutzen dieses Ansatzes der Wissensrepräsentation und des Datenzugriffs für die ZfP-Community ist eine Erweiterung des Wissens durch Datenaustausch in der Forschung (Interoperabilität), die wissenschaftliche Verwertung großer existierender Datenquellen mit datenbasierten Verfahren (wie Bilderkennung, Messunsicherheitsberechnungen, Faktoranaylsen, Materialcharackterisierung) und letztlich ein vereinfachter Transfer von ZFP-Daten in Ingenieurmodelle und somit in die Baupraxis.
Ontologien sind bereits Kern vielzähliger intelligenter Systeme wie Building-Information-Modeling oder Forschungsdatenbanken. Der Beitrag gibt einen Überblick über die Werkzeuge die wir derzeit für die Kommunikation mit ihnen schaffen.
Wir laden zum Trainingsworkshop Datenanalyse ein. Angetrieben durch die Digitalisierung und die sogenannte Industrie 4.0 steigt die Erwartungshaltung gegenüber der Nutzung von Daten. Die Unsicherheit, Widersprüchlichkeit und Redundanz separat verarbeiteter einzelner Quellen soll durch die synergetische Zusammenführung heterogener Datensätze überwunden werden. Dabei steht der zunehmenden Aufgabenkomplexität eine ebenso zunehmende Verfügbarkeit an Daten und Analyseverfahren gegenüber.
Der Workshop vermittelt ein konzeptionelles Verständnis für moderne Datenanalyseverfahren (Machine Learning (ML), Multivariate Statistik) und soll durch ein anschließendes Hands-On Training mit Python (https://www.python.org) einen einfachen Einstieg in die Thematik ermöglichen. Der Kurs richtet sich an den wissenschaftlichen Nachwuchs.
Angetrieben durch Digitalisierung und die sogenannte Industrie 4.0 steigt die Erwartungshaltung gegenüber der Nutzung von Sensorik. Die Unsicherheit, Widersprüchlichkeit und Redundanz separat verarbeiteter einzelner Quellen soll durch die synergetische Zusammenführung heterogener Datensätze überwunden werden. Dabei steht der zunehmenden Aufgabenkomplexität eine ebenso zunehmende Verfügbarkeit an Sensoren, Daten und Rechenleistung gegenüber.
Der Begriff Datenfusion fasst Ansätze zusammen, die Daten zu abstrakteren, aber besser verständlichen Informationen verarbeiten. Die Fusion ist Kernbestandteil effektiver Assistenzsysteme und beweist in vielzähligen Aufgaben - von militärischen Anwendungen über Flug- und Fahrassistenzsysteme, bis in den Heimbereich – ihr großes Potenzial. Durch die wachsende Automatisierung bei der Messdatenerfassung wird Datenfusion auch in der industriellen Qualitätsprüfung und –sicherung zunehmend attraktiver.
Der Vortrag gibt einen Überblick über den breiten Themenkomplex und widmet sich dabei speziell der Fragen, welche Informationen in multivariaten Datensätzen stecken und wie sie extrahiert werden können. Abschließend wird ein Beispiel für die erfolgreiche Anwendung zur zerstörungsfreien Prüfung von Betonbauteilen vorgestellt. Der systematische Vergleich von Algorithmen, die Charakteristika des Labordatensatzes in unterschiedlicher Weise adressieren erlaubt überraschende Schlussfolgerungen.
Half-Cell-Potential Mapping (HP) is the most popular non-destructive testing (NDT) method for the detection of active corrosion in reinforced concrete. HP is influenced by parameters such as moisture and chloride gradients in the component. The sensitivity to the spatially small, but dangerous pitting is low. In this study we show how additional measurement information can be used with multi-sensor data fusion to improve the detection performance and to automate data evaluation. The fusion is based on supervised machine learning (SML). SML are methods that recognize relationships in (sensor) data based on given labels. We use SML to distinguish "defective" and "intact" labeled areas in our dataset. It consists of 18 measurement - each contains HP, ground radar, microwave moisture and Wenner resistivity data. Exact labels for changing environmental conditions were determined in a laboratory study on a reinforced concrete slab, which deteriorated controlled and accelerated. The deterioration progress was monitored continuously and corrosion was generated targeted at a predefined location. The detection results are quantified and statistically evaluated. The data fusion shows a significant improvement over the best single method (HP). We describe the challenges of data-driven approaches in nondestructive testing and show possible solutions.
With 8% of man-made CO2 emissions, cement production is an important driver of the climate crisis. By using alkali-activated binders, part of the energy-intensive clinker production process can be dispensed. However, as numerous raw materials are involved in the manufacturing process here, the complexity of the materials increases by orders of magnitude. Finding a properly balanced binder formulation is like looking for a needle in a haystack. We have shown for the first time that artificial intelligence (AI)-based optimization of alkali-activated binder formulations can significantly accelerate research.
The "Sequential Learning App for Materials Discovery" (SLAMD) aims to accelerate practice transfer. With SLAMD, materials scientists have low-threshold access to AI through interactive and intuitive user interfaces. The value added by AI can be determined directly. For example, the CO2 emissions saved per ton of cement can be determined for each development cycle: the more efficient the AI optimization, the greater the savings.
Our material database already includes more than 120,000 data points of alternative binders and is constantly being expanded with new parameters. We are currently driving the enrichment of the data with a life cycle analysis of the building materials.
Based on a case study we show how intuitive access to AI can drive the adoption of techniques that make a real contribution to the development of resource-efficient and sustainable building materials of the future and make it easy to identify when classical experiments are more efficient.
One of the most common causes of damage is the ingress of harmful ions into the concrete, which can lead to deterioration processes and affect structural performance. Therefore, the increasingly aging infrastructure is regularly inspected to assess durability. Regular chemical analysis can be useful to determine the extent and evolution of ion ingress and to intervene in a timely manner. This could prove more economical than extensive repairs for major damage, particularly for critical infrastructure. In addition to already established elemental analysis techniques in civil engineering such as potentiometric titration or X-ray fluorescence analysis, laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) can provide further important complementary information and benefits. The possibilities of LIBS are demonstrated using the example of a drill core taken from a parking garage.
Concrete structures often show severe damage during their lifetime. One such damage is pitting corrosion of the steel reinforcement caused by chloride ingress into the porous concrete structure. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a promising method in civil engineering, which is used for detection of chlorine in concrete structures in addition to conventional methods of wet chemistry. To assess LIBS as a trustful analytical technique, its accuracy and robustness is carefully tested. The presentation will outline the results of the interlaboratory comparison of chlorine quantification in cement paste samples, which was carried out by 12 laboratories in 10 countries. Two sets of samples with chloride content ranging from 0.06-1.95 wt.% in the training set and 0.23-1.51 wt.% in the test sample set (“unknowns”), with additional variations in the type of cement and chlorine source (salt type) were sent to the laboratories. The overall result demonstrates that LIBS is suitable for the quantification of the investigated sample compositions: average relative bias was mostly below 15 %. Considering that the laboratories did not receive instructions on how to perform the analysis or how to process the data, the results can be evaluated as a true status quo of the LIBS technique for this type of analysis.
Geschlossene Materialkreisläufe und sortenreine Materialfraktionen sind erforderlich, um hohe Verwertungs und Recyclingquoten in der Bauindustrie zu erreichen Beim Recycling von Bau und Abbruchabfällen wurden bisher bevorzugt einfache, aber bewährte Techniken eingesetzt, um große Mengen Bauschutt in kurzer Zeit zu verarbeiten Dies steht im Gegensatz zu den immer komplexer werdenden Verbundwerkstoffen in der Mineralbaustoffindustrie Die aktuell oft praktizierte händische Klaubung bürgt viele Risiken und Gefahren für das ausführende Personal und basiert lediglich auf offensichtlichen, visuell erkennbaren Unterschieden zur Trennung Eine automatisierte, sensorgestützte Sortierung dieser Baustoffe könnte diese Praxis ergänzen oder ersetzen, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit, die Recyclingraten, die Sortierqualität und die vorherrschenden Gesundheitsbedingungen zu verbessern.
The detection of delamination, rot, and cracks in wooden construction elements is a key task for nondestructive testing (NDT). Air-coupled ultrasound (ACU) is used to detect defects and damage without altering the structure permanently. Using through transmission it is possible to detect even small holes and missing adhesive. After interpretation of the inspection data, an assessment of the mechanical properties based on an appraisal of internal defects in the material is feasible. Novel ferroelectret transducers with a high signal-to-noise ratio (SNR) enable a high-precision structure recognition. The transducers made of cellular polypropylene (PP) are quite suitable for ACU testing due to their extremely low Young’s modulus and low density which result in a favorable acoustic impedance for the transmission of ultrasonic waves between the transducer and air. Thus, structures with great dimensions, thickness up to 300 mm and material densities under 500 kg/m³ can be inspected. Promising results were obtained under laboratory conditions with frequencies from 90 kHz to 200 kHz. The advantage of ACU transducers is that they do not require contact to the sample, are accurate, and cost effective. Ultrasonic quality assurance for wood is an important attempt to increase the acceptance of wooden structures and towards sustainability in civil engineering in general.
The necessity and demand for nondestructive testing of wood-based materials which can
automatically scan huge areas of wood is increasing. Air-coupled ultrasound (ACU) is used to detect defects and damage without altering the structure permanently. Using through transmission it is possible to detect even small holes and missing adhesive. If only one side of an object is accessible the reflection mode is preferred at the expense of a reduced resolution and penetration depth. Novel ferroelectret transducers with a high signal-to-noise ratio (SNR) enable a high-precision structure recognition. The transducers made of cellular polypropylene (PP) are quite suitable for ACU testing due to their extremely low Young’s modulus and low density which result in a favorable acoustic impedance for the transmission of ultrasonic waves between the transducer and air. Thus, defects such as delamination, rot, and cracks can be detected. Promising results were obtained under laboratory conditions with frequencies from 90 kHz to 200 kHz. The advantage of these ACU transducers is that they do not require contact to the sample, are accurate, and cost effective. Ultrasonic quality assurance for wood is an important attempt to increase the acceptance of wooden structures and towards sustainability in civil engineering in general.
The detection of delamination, rot and cracks causing a decrease of strength in wooden construction elements is a key task for nondestructive testing (NDT). Air-coupled ultrasound (ACU) is used to detect flaws without having to provide contact to the surface or otherwise affect the object. Novel ferroelectric transducers with a high signal-to-noise ratio enable an accurate flaw detection. Transducers made of cellular polypropylene (PP) are suitable for characterizing wood-based materials (WBM) because their extremely low Young’s modulus and low density mean a favorable acoustic impedance for the transmission of ultrasonic waves between the transducer and air. The transducers can be applied during the production of WBM and during its service life. The device enables a fast in-situ recognition of defects with frequencies between 90 kHz and 250 kHz. Measurements can be performed in through transmission for a high resolution or in pulse-echo technique in case of one-sided access at the expense of reduced signal strength. Ultrasonic quality assurance for wood is an important attempt to increase the acceptance of wooden structures and towards sustainability in civil engineering in general.
In diesem Vortrag wird am Beispiel magnetischer Werkstoffe zur Energiewandlung gezeigt, wie röntgentomographische Untersuchungen zur Strukturaufklärung in Kompositen und Massivproben beitragen können. Die Bauteile werden zerstörungsfrei geprüft, um Risse, Poren und andere Defekte und ihren Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften dreidimensional und rechtzeitig im Lebenszyklus des Werkstoffs zu charakterisieren. Kombiniert man Mikrotomographie mit anderen Methoden der magnetischen Werkstoffcharakterisierung, lassen sich einzigartige Aussagen über den Aufbau und die funktionellen Eigenschaften treffen.
Using magnetic materials for energy conversion as an example, this lecture shows how X-ray tomography investigations can contribute to structure elucidation in composites and solid samples. The components are tested non-destructively in order to characterize cracks, pores and other defects and their influence on the functional properties three-dimensionally and in good time in the life cycle of the material. If you combine microtomography with other methods of magnetic material characterization, you can make unique statements about the structure and the functional properties.
Using magnetic materials for energy conversion as an example, this lecture shows how X-ray tomography investigations can contribute to structure elucidation in composites and solid samples. The components are tested non-destructively in order to characterize cracks, pores and other defects and their influence on the functional properties three-dimensionally and in good time in the life cycle of the material. If you combine microtomography with other methods of magnetic material characterization, you can make unique statements about the structure and the functional properties.
To date, there are only very few technologies available for the conversion of low temperature waste heat to electricity. In this talk, we first describe the principle of thermomagnetic generators. Then we focus on the impact of topology of the magnetic circuit within thermomagnetic generators. We demonstrate that the key operational parameters strongly depend on the genus, i.e. the number of holes within the magnetic circuit.
To date, there are only very few technologies available for the conversion of low temperature waste heat to electricity. In this talk, we first describe the principle of thermomagnetic generators. Then we focus on the impact of topology of the magnetic circuit within thermomagnetic generators. We demonstrate that the key operational parameters strongly depend on the genus, i.e. the number of holes within the magnetic circuit.
To date, there are very few technologies available for the conversion of low-temperature waste heat into electricity. Thermomagnetic generators are one approach proposed more than a century ago. Such devices are based on a cyclic change of magnetization with temperature. For thermomagnetic materials, we used a commercial magnetocaloric alloy with a transition temperature of 300 K.
To date, there are only very few technologies available for the conversion of low temperature waste heat to electricity. In this talk, we first describe the principle of thermomagnetic generators. Then we focus on the impact of topology of the magnetic circuit within thermomagnetic generators. We demonstrate that the key operational parameters strongly depend on the genus, i.e. the number of holes within the magnetic circuit.
To date, there are very few technologies available for the conversion of low-temperature waste heat into electricity. Thermomagnetic generators are one approach proposed more than a century ago. Such devices are based on a cyclic change of magnetization with temperature. For thermomagnetic materials, we used a commercial magnetocaloric alloy with a transition temperature of 300 K.
To date, there are only very few technologies available for the conversion of low temperature waste heat to electricity. In this talk, we first describe the principle of thermomagnetic generators. Then we focus on the impact of topology of the magnetic circuit within thermomagnetic generators. We demonstrate that the key operational parameters strongly depend on the genus, i.e. the number of holes within the magnetic circuit.
In diesem Vortrag wird am Beispiel magnetischer Werkstoffe zur Energiewandlung gezeigt, wie röntgentomographische Untersuchungen zur Strukturaufklärung in Kompositen und Massivproben beitragen können. Die Bauteile werden zerstörungsfrei geprüft, um Risse, Poren und andere Defekte und ihren Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften dreidimensional und rechtzeitig im Lebenszyklus des Werkstoffs zu charakterisieren. Kombiniert man Mikrotomographie mit anderen Methoden der magnetischen Werkstoffcharakterisierung, lassen sich einzigartige Aussagen über den Aufbau und die funktionellen Eigenschaften treffen.
In diesem Vortrag wird am Beispiel magnetischer Werkstoffe zur Energiewandlung gezeigt, wie röntgentomographische Untersuchungen zur Strukturaufklärung in Kompositen und Massivproben beitragen können. Die Bauteile werden zerstörungsfrei geprüft, um Risse, Poren und andere Defekte und ihren Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften dreidimensional und rechtzeitig im Lebenszyklus des Werkstoffs zu charakterisieren. Kombiniert man Mikrotomographie mit anderen Methoden der magnetischen Werkstoffcharakterisierung, lassen sich einzigartige Aussagen über den Aufbau und die funktionellen Eigenschaften treffen.
Functional materials for energy conversion are important technology drivers needed for the implementation of low carbon energy. Therefore, researchers commonly focus on improving the intrinsic properties of a functional material. However, for applications, the extrinsic properties are at least as important as the intrinsic ones. Consequently, it is important to investigate and understand the external and internal structure of semi-finished products and especially defect dependent properties. The extrinsic properties may change during application and the life cycle of the material as well as through processing and molding steps.
Our studies show how X-ray tomographic (XCT) investigations can contribute to structure investigations in composites and massive samples using the example of magnetic materials for energy conversion. The components are tested non-destructively in 3D in order to localize and characterize cracks, pores, inclusions as well as other defects and their influence on the functional properties and also “in-time” during the life cycle of the material. Exsitu and in-situ experiments performed with non-destructive XCT are predestinated to follow damaging mechanisms of materials under certain load conditions, atmospheres or liquids, e.g. went through several working cycles of a functional material. By combining microtomography with other methods of magnetic and classical material characterization, unique statements about the structure and the functional properties can be made.
From the applications point of view, sometimes complex, three-dimensional geometries are needed to fully exploit the functional properties of the materials, e.g. to ensure a high surface area for heat exchange. Since many functional materials are brittle and difficult to form, shaping is often a big challenge. In principle, additive manufacturing processes offer the possibility to produce complex, porous components from poorly formable alloys.
If all stages of additive manufacturing are accompanied by X-ray tomographic imaging, the process of finding the optimal parameters for material processing can be significantly accelerated.
Based on the quality control of the initial powder material used and also investigations of the shape and arrangement of defects within the molten structure and their relationship with the melting path scanning strategy, Xray tomography has proven to be an ideal tool for additive manufacturing, even for functional materials. Overall, tomographic methods are important tools for the development of functional materials to application maturity.
To date, there are only very few technologies available for the conversion of low temperature waste heat to electricity. More than a century ago, thermomagnetic generators were proposed, which are based on a change of magnetization with temperature, switching a magnetic flux, which according to Faraday’s law induces a voltage. In this talk, we first describe the principle of thermomagnetic generators. Then we focus on the impact of topology of the magnetic circuit within thermomagnetic generators. We demonstrate that the key operational parameters strongly depend on the genus, i.e. the number of holes within the magnetic circuit. A pretzel-like topology of the magnetic circuit with genus =3 improves the performance of thermomagnetic generators by orders of magnitude. We will show that this technique is on its way to becoming competitive with thermoelectrics for energy harvesting near room temperature.
Thermomagnetic materials are a new type of magnetic energy materials, which enable the conversion of low temperature waste heat to electricity by three routes: Thermomagnetic motors, generators and microsystems. Taking our recent work on thermomagnetic generators as a starting point, in this talk we analyse the material requirements for a more energy and economic efficient conversion. We will describe the influence of magnetisation change and heat capacity on thermodynamic efficiency, as well as the consequences of thermal conductivity on power density. Our analysis will allow selecting the best thermomagnetic materials in Ashby plots and illustrate the substantial different properties compared to magnetocaloric materials. Supported by DFG, project FA 453/14)
Functional materials for energy conversion are important technology drivers needed for the implementation of low carbon energy. Therefore, researchers commonly focus on improving the intrinsic properties of a functional material. However, for applications, the extrinsic properties are at least as important as the intrinsic ones. Consequently, it is important to investigate and understand the external and internal structure of semi-finished products and especially defect dependent properties. The extrinsic properties may change during application and the life cycle of the material as well as through processing and molding steps. Our studies show how X-ray tomographic (XCT) investigations can contribute to structure investigations in composites and massive samples using the example of magnetic materials for energy conversion.
Preisträgervortrag Georg-Sachs-Preis der DGM
Röntgencomputertomographie (CT) ist heute ein Standardwerkzeug in der Materialcharakterisierung. Im Vortrag zeigen wir ihre Anwendung für die Untersuchung magnetischer Funktionsmaterialien, additiv gefertigter Bauteile und deren Feedstockpulver und stellen erste CT-Ergebnisse biogener Feedstockpulver vor.
Zur Messung von Konzentrationen in Flüssigkeiten können akustische Sensoren genutzt werden. Ziel der vorliegend Arbeit ist es einen Sensor zu entwerfen der sehr hohe Messgenauigkeiten erzielen kann. Der Sensor besteht aus einem rechteckigen Rohr, welches auf einem Halbraum angebracht ist. Die Konzentrationsbestimmung erfolgt anhand des Resonanzverhaltens der Struktur, wodurch eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann. Um den Sensors zu verwirklichen, muss eine Optimierung der Geometrie mit vielen Iterationsschritten durchlaufen werden. Da keine analytische Beschreibung des akustischen Verhaltens vorliegt, wird eine effiziente Simulationsmethode benötigt. Die Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) für prismatische Strukturen erscheint für die Simulation geeignet, da Teile der Geometrie ohne neue Vernetzung geändert werden können. Für die Berechnung des Sensors wird ein Modell der akustischen Fluid-Struktur Interaktion benötigt, das bisher nicht vorhanden ist.
Die Präsentation behandelt die Implementierung des Fluidmodells in die SBFEM und deren Validierung. Für die Validierung werden die Ergebnisse mit analytischen Beispielen ohne Fluid-Struktur Kopplung und mit Comsol-Ergebnissen der Dispersionskurven mit Wasser gefüllter Rohre verglichen.
Schließlich wird das neuartige Verfahren für die Modellierung der Sensorgeometrie angewendet. An einer einfachen Geometrie wird das Sensorprinzip zur Bestimmung der Salzkonzentration demonstriert.
The Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) for prismatic structures is an efficient method for the simulation of acoustic behavior. Hence a further development of the method is of great interest. The wave propagation can be calculated for isotropic and anisotropic materials in solids. As for many applications the acoustic behavior in fluids and the behavior in case of fluid-structure interaction (FSI) is subject of research, the implementation of a fluid model in SBFEM for prismatic structures is needed. In case of FSI the coupling between fluid and solid domains can be performed without additional effort when describing both domains in the same variables. Hence a displacement-based fluid description is used. As the discretized formulation leads to spurious modes, a penalty method to suppress the unphysical behavior is chosen. To validate the derived model a comparison with analytical solutions of purely fluid domains is made. As to verify that in case of FSI the model shows the right behavior, dispersion curves of water-filled pipes are calculated and compared to results obtained with Comsol.
Die Untersuchung von Ultraschallausbreitung in periodischen Strukturen ist aktuell von großem Interesse für eine zielgerichtete Beeinflussung der Schallausbreitung. Die bekanntesten Vertreter periodischer Strukturen sind die sogenannten phononischen Kristalle. Als phononischen Kristall bezeichnet man eine periodische Struktur bestehend aus einer Matrix, in die Störungen aus einem zweiten Material eingebracht worden ist. Dabei unterscheiden sich Matrixmaterial und das eingebrachte Material sehr stark in ihren akustischen Eigenschaften. Ein phononischer Kristall erzeugt Bandlücken, in denen die Schalltransmission durch den Kristall vollständig unterbunden ist. Außerhalb der Bandlücken hingegen findet eine ungehinderte Schallausbreitung statt. Diese speziellen Eigenschaften können beispielsweise dazu genutzt werden, frequenzselektive Wellenleiter zu konzipieren oder Schallfelder zu fokussieren. Die Kristallstrukturen können anhand der Anzahl der Dimensionen, in welchen eine Schallausbreitung unterbunden wird, unterteilt werden. So verhindert ein eindimensionaler Kristall nur die Schallausbreitung in eine Raumrichtung, wohingegen ein zwei- oder dreidimensionaler Kristall die Schallausbreitung in mehreren Raumrichtungen unterbindet. Für technische Anwendungen sind aufgrund ihrer einfachen Fertigung insbesondere ein- und zweidimensionale Strukturen von Interesse.
In den vorgestellten Arbeiten werden ein- und zweidimensionale Kristalle theoretisch und experimentell untersucht. Für den eindimensionalen Fall wurde eine entartete Form des phonischen Kristalls gewählt, wobei ein Vollzylinder mit periodischer Querschnittsänderung betrachtet wurde. Ziel ist es dabei, die Schallausbreitung in axialer Richtung zu verhindern. Inspiriert wurde diese Anordnung durch die in [1] vorgestellte Tubular-Bell-Geometrie und dient als Vorarbeit für die Entwicklung eines Sensorsystems. Im Falle des zweidimensionalen Kristalls wird die Schallausbreitung in einer Platte mit regelmäßigen Bohrungen untersucht. Hier soll keine Schallausbreitung in der Ebene stattfinden.
Als Voruntersuchungen werden zunächst Berechnungen mit Hilfe der Finiten Elementen Methode (FEM) und der Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) durchgeführt. Für die Berechnung der Dispersionskurven der Strukturen wurde COMSOL Multiphysics genutzt. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse liefern eine Vorhersage der Übertragungseigenschaften der Strukturen. Zur Simulation der Schallausbreitung in der eindimensionalen Struktur wird ein effizienter, achsensymmetrischer Ansatz der SBFEM verwendet. Hierbei entsteht ein numerisches Modell mit einer sehr geringen Anzahl an Freiheitsgraden. Diese effiziente Beschreibung ermöglicht eine zielgerichtete Optimierung der Geometrie der Struktur in Hinblick auf die geforderten akustischen Eigenschaften.
Anhand der Simulationsergebnisse werden Testkörper für beide Strukturen gefertigt und deren Übertragungsverhalten im Vergleich mit den numerischen Ergebnissen experimentell überprüft.
[1] – Lucklum R., Zubtsov M., Pennec Y. – Tubular Bell – Ein neuartiger Ultraschall-Rohrsensor, 3. Workshop des Fachausschusses der DEGA e.V., Messtechnische Anwendung von Ultraschall 20.06-22.06.2016, Kloster Drübeck
An essential task in many industries, e.g. food, petrol or chemical industry, is the precise and accurate characterization of liquids. Therefore, the development of innovative in-line sensors is of great interest. New concepts based on periodic structures, so-called phononic crystals (PnCs), are an interesting idea for the design of innovative sensors.
A PnC-based sensor can be designed by introducing a resonance inside a bandgap, a frequency region where no wave propagation is allowed. High-Q measurement systems using PnCs are already reported in the literature. However, existing designs cannot be implemented into a piping system directly, but need special fittings, openings or by-passes to be in contact with the liquid.
To circumvent this issue, we develop a new sensor based on PnCs, which can be directly implemented as part of the piping system. For this purpose, we use a PnC consisting of hollow cylinders with a periodic change of the outer diameter.
A bandgap could be found for the described geometry without fluid in simulation and measurement. However, simulations show, that a bandgap for fluid-filled cylinders can only be obtained for quasi-longitudinal modes. Hence, we propose a mode selective excitation for the sensor.
Acoustic-structure interaction in the scaled boundary finite element method for primsatic geometries
(2019)
Due to the short wavelength compared to the dimensions of the structure, the simulation of ultrasonic waves is still a challenging task. A numerical method well suited for this purpose is the semi-analytical Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM). When applying this method, only the boundary of a computational domain is discretized using finite elements, while the interior is described by an analytical ansatz. Hence, the number of degrees of freedom is reduced significantly compared to the classical Finite Element Method (FEM).
In recent years, a particular formulation of the SBFEM for the simulation of ultrasonic guided waves was developed. The method constitutes an efficient algorithm for prismatic structures of arbitrary length, such as plates, pipes, or beams. Wave propagation phenomena in such structures can be modeled for isotropic and anisotropic inhomogeneous waveguides. Even though the method is an efficient tool for the simulation of guided waves in solid media, a reliable model for the simulation of acoustic wave propagation in fluids as well as acoustic-structure interaction in terms of SBFEM is still missing. In principle, the fluid can be described by a displacement-based formulation and thus be implemented in existing SBFEM algorithms for solid bodies. However, due to the discretization with classical finite elements, spurious modes occur, which cannot be separated from the physical modes straightforwardly. The spurious modes can be suppressed using a penalty parameter. Although very accurate results were achieved for some problems, this procedure has been proven unreliable for certain cases.
For this reason, we propose a different approach in this contribution. We employ a pressure model to simulate the acoustic behavior of fluids. The implementation of the pressure model results in a higher effort due to the necessity of incorporating coupling terms, but it presents a stable alternative without spurious modes. The accuracy of the method is demonstrated in comparison with analytical solutions and results obtained using the FEM.
Die Messung von Flüssigkeitskonzentrationen in Rohrsystemen ist von großem Interesse für viele unterschiedliche Anwendungen. Die meisten Messsysteme sind jedoch nicht in der Lage, die Flüssigkeit direkt im Rohr zu untersuchen und es muss eine zusätzliche Vorrichtung, wie z.B. einem Bypass, angebracht werden, welche den Kontakt zwischen Flüssigkeit und Sensor ermöglicht.
Um den Einbauaufwand gering zu halten und die Strömungseigenschaften des Rohres nicht zu beeinflussen, wird ein neuartiges Messsystem entwickelt, welches als Teil der Rohrwand ausgeführt werden kann. Dieses neuartige System ist angelehnt an die Idee der phononischen Kristallen (PnK). PnK’s bestehen im Allgemeinen aus einem Matrixmaterial, in welchem Streuzentren periodisch angeordnet sind. Dies führt beim Eintreffen einer akustischen Welle in definierten Frequenz-bereichen, sogenannter Bandlücken, zu zunehmender destruktiven Interferenz. Wird innerhalb einer solchen Bandlücke durch Einbringen einer flüssigkeitsgefüllten Kavität ein Resonanzverhalten erzeugt, kann dies genutzt werden, um die Flüssigkeit zu analysieren.
Im Rahmen von Voruntersuchung wird zunächst das akustische Verhalten des PnK’s, welcher für die Sensorentwicklung genutzt werden soll, unter Vernachlässigung der Flüssigkeit ausführlich untersucht. Hierbei werden zunächst die Bandlücken ermittelt und das Übertragungsverhalten betrachtet. Dieses wird im Anschluss experimentell überprüft. Hierzu werden neben herkömmlichen Fertigungsverfahren auch additive Verfahren zur Herstellung der Proben genutzt.
Analyse des Tausalzeintrages in Fahrbahndeckenbetone im Kontext der Alkali-Kieselsäure-Reaktion
(2018)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz (BAB-Netz) vermehrt AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten, die zum Teil zu einer Halbierung ihrer geplanten Nutzungsdauer von 30 Jahren führte. Ursächlich hierfür ist die Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnung, die bei gleichzeitiger Anwesenheit von Wasser infolge der Exposition der Fahrbahndecke und dem alkalischen Milieu durch den Einsatz alkalireicher Portlandzemente bei der Betonherstellung zu einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) führt. Zusätzlich wird der AKR-Schädigungsprozess in Betonfahrbahndecken durch den externen Tausalzeintrag (primär NaCl) im Winter begünstigt. Vor diesem Hintergrund kommt der Ermittlung des Tausalzeintrags in den Fahrbahndeckenbeton eine große Bedeutung zu. Die Analyse des Tausalzeintrags erfolgte bisher ausschließlich nasschemisch an gemahlenen Bohrkernsegmenten. Nachteilig ist hierbei die fehlende differenzierte Betrachtung des Natriumgehaltes im Zementstein und in der Gesteinskörnung. Der alternative Einsatz von LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) eröffnet in diesem Kontext neue Möglichkeiten. So wird in diesem Beitrag an Hand von Bohrkernen aus einem AKR-geschädigten BAB-Abschnitt exemplarisch die Vorgehensweise bei der LIBS-Analyse zur Ermittlung der Na- und interagierenden Cl-Verteilung an vertikalen Schnittflächen des Bohrkerns aufgezeigt. Da der Tausalzeintrag primär über den Zementstein erfolgt, wurde der verfälschende Na-Grundgehalt der Gesteinskörnung mittels Zementsteinkriteriums (Nutzung unterschiedlichen Ca-Gehalts in Zementstein und Gesteinskörnung) eliminiert. Vergleichend durchgeführte Cl-Mappings mit Mikroröntgenfluoreszenzanalyse (MRFA) belegen die Güte der durchgeführten LIBS-Messungen.
Aber auch bei der Verifizierung der Übertragbarkeit der Ergebnisse der zum Ausschluss reaktiver Gesteinskörnung bei Neubau und Erneuerung im BAB-Netz eingesetzten Performanceprüfungen mit externem Alkalieintrag auf Praxisverhältnisse hat sich das LIBSVerfahren bewährt. So wurde festgestellt, dass die mit NaCl-Lösung beaufschlagten Laborprüfkörper aus einem repräsentativen Fahrbahndeckenbeton bei der Klimawechsellagerung (KWL) über ihre gesamte Höhe von 10 cm einen Eintrag von Na und Cl erfahren. Weiterhin konnte im Gegensatz zu bisherigen Annahmen erstmals mit LIBS und Nasschemie gezeigt werden, dass die Frost-Tauwechsel-Phase bei der KWL zu keinem erhöhten Tausalzeintrag führt.
The present study deals with the experimental characterization of short crack propagation in SLM (selective-laser-melting) manufactured stainless steel. More specifically, the determination of cyclic R-curves is discussed. This describes the dependency of the crack propagation threshold on crack growth during the short crack propagation stage. For metals, the threshold, starting at a material-intrinsic value, increases until it reaches a value independent of the crack length due to crack closure phenomena which build up at that stage. The cyclic R-curve, when used in the frame of a cyclic R curve analysis, characterizes the resistance of a material to fatigue crack growth and the ability to arrest a physically short crack. Thus, it is the link between classical fatigue and fracture mechanics. In the high-cycle-fatigue range, the short crack propagation stage dominates the overall lifetime, i.e., the number of cycles until failure. Below the fatigue limit crack arrest of hitherto propagable micro-cracks will occur. The effort for the experimental characterization of the short fatigue crack propagation behavior and the cyclic R-curve is very high compared to experiments on long crack propagation. A very exact measurement of crack extension is required, since small increments need to be depicted. Pre-cracking must leave a closure free initial crack, since closure must be build up only by the cyclic R-curve. The closure-free status is achieved by compression pre-cracking. The aim of the present study is an insight into the influence of an AM process on the short crack propagation threshold. Cyclic R-curves are experimentally determined at different load-ratios for 316L austenitic steel specimens produced by SLM and conventional manufacturing. Residual stresses are measured in the crack plane and their influence on the cyclic R-curve is discussed.
Die Erzeugung rissschließfreier Anrisse in gekerbten bruchmechanischen Proben für anschließende Ermüdungsversuche kann durch eine zyklische Druckbelastung an der Kerbe erfolgen: Bei der Erstbelastung wird eine plastische Verformung an der Kerbspitze erzeugt, welche Zugeigenspannungen und damit eine risstreibende Kraft bei der folgenden zyklischen Druckbelastung hervorruft. Durch das Risswachstum kommt es zu einer Entspannung, bis der Riss schließlich arretiert, weil die effektive risstreibende Kraft auf den Schwellenwert abgesunken ist. Um Kurzrisswachstum in additiv, mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) gefertigtem AISI 316L Stahl und seinem konventionell erzeugten, warmgewalzten Pendant zu untersuchen, wurde dieses Verfahren im Rahmen der vorliegenden Arbeit genutzt. Im Falle des additiv gefertigten Materials kam es zu unerwartet langem Ermüdungsrisswachstum, bevor der Riss arretierte. Zur Ermittlung der Ursache erfolgte eine Messung der Eigenspannungsverteilungen mittels Neutronendiffraktion in der Kerbebene der additiv gefertigten Proben. Anschließend wurde ein Finite-Elemente-Modell zur Simulation des Ermüdungsrisswachstums in konventionellem und additiv gefertigtem Material implementiert. Im Rahmen dieses Vortrages wird insbesondere auf das Vorgehen bei der Simulation und auf die getroffenen Annahmen und Vereinfachungen eingegangen. Die Resultate werden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen und das für die Simulation von Risswachstum genutzte Knoten-Freigabe-Verfahren (Node-Release), das Einbringen von Eigenspannungen als initiale Spannungen in der Simulation, und die Rechengrößen zur Quantifizierung der risstreibenden Kraft kritisch diskutiert.
Diese Untersuchung beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Kurzrisswachstum in mittels Laser-Pulverbett-Verschmelzen (LPBF - Laser Powder Bed Fusion) hergestelltem rostfreien austenitischen Stahl. Spezifischer wird die Ermittlung zyklischer R-Kurven untersucht. Diese beschreiben den Aufbau des Widerstands gegen Ermüdungsrisswachstum - d.h. des Schwellenwertes - aufgrund von Rissschließeffekten bei physikalisch kurzen Rissen. Mit Hilfe der zyklischen R-Kurven kann die Fähigkeit eines Bauteils, physikalisch kurze Risse zu arretieren, charakterisiert werden. Wir verfügen damit über eine Schnittstelle zwischen klassischer Ermüdung und Bruchmechanik. Das ist gerade auch für additiv gefertigte (AM – Additive Manufacturing) Materialien von Interesse. Diese weisen prozessintrinsische Defekte auf, die als Initiierungsstellen kurzer Ermüdungsrisse agieren. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden zyklische R-Kurven für konventionellen und LPBF AISI-316L-Stahl ermittelt. Insbesondere wurde der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungen (WB1: 450°C, WB2: 800°C und WB3: 900°C) auf das Wachstumsverhalten physikalisch kurzer Risse im LPBF-Material untersucht. Aufgrund hoher Eigenspannungen war die Ermittlung des Kurzrisswachstumsverhaltens bei WB1 nicht möglich. Für WB2 und WB3 ergaben sich sehr unterschiedliche zyklische R-Kurven. Untersuchungen der Eigenspannungen, der Bruchfläche (insbesondere der Rauheit) und der Mikrostruktur sollen die Ursachen für das unterschiedliche Verhalten erklären. Die Ergebnisse werden mit den Verhältnissen in konventionellem Material verglichen.
The objective of this work is to find a method that describes the degree of damage from an impact experiment. This experiment was performed on Composite Pressure Vessels (CPV) in order to find the correlation of impact damage to the residual burst pressure. Computed Tomography (CT) approach was used to capture the before and after impact condition of the CPVs. The Wasserstein function was used to calculate how much the after impact image has differed from the original one. In the end, a good correlation was obtained to the residual burst pressure. The smaller the Wasserstein distance is, the higher the residual burst pressure would be and vice versa.
The main application of LIBS in civil engineering is the detection of harmful ions in concrete, which can penetrate the component through the porous concrete structure. The advantages of LIBS over standard methods are the possibility of multi-element analysis, measurement speed, spatially resolved measurements, and minimal sample preparation. The spatially resolved measurements of LIBS allow the assessment of the heterogeneity of the concrete by measuring separately the chemical composition of the aggregates and the binder matrix. The latter is particularly relevant because the determined elemental distribution can be directly related to the binder matrix. This is not possible with standard methods, since the material is homogenized to powder during sample preparation stage and the determined concentration is thus related to the total mass. In addition to the use of LIBS for the specific analysis of individual harmful ions, LIBS can also be used to estimate the concrete composition and thus determine, for example, the type of cement used. Corresponding information are relevant for the estimation of the remaining service life and for the preparation of a maintenance concept. In recent years, LIBS has been increasingly used in civil engineering. Currently, however, it is primarily used in research institutions and only occasionally in building materials laboratories. Special commercial devices have also been developed, which greatly simplify the application due to the high degree of automation. Mobile LIBS systems allow on-site application. A central point, which limits the use of LIBS in the commercial sector, is the lack of norms and standards. Therefore, within the framework of a project funded by the German government, work has been carried out on the preparation of a leaflet on quantitative chlorine determination in concrete, which will be published this year. In interlaboratory comparisons the robustness and accuracy for the practical application was demonstrated. LIBS also has great potential in the recycling of construction waste in conjunction with hyperspectral sensors. This issue is currently being addressed in a national project. During the presentation, the state of the art of LIBS in civil engineering will be presented, next steps will be discussed, and future challenges will be outlined.
Due to the ageing of the infrastructure facilities, a reliable assessment of the condition of concrete structures is of great interest to plan timely and appropriate measures. In concrete structures, pittingcorrosion of the reinforcement is the predominant deterioration mechanism affecting serviceability and eventually structural performance. Determination of quantitative chloride ingress is not only necessary to obtain valuable information on the current condition of a structure, but the data obtained can also be used to predict future developments and the associated risks. An overview of the progress and the possibilities of the application of laser-induced breakdown spectroscopy for concrete analysis in daily civil engineering practice is given. High-resolution 2D measurements of drill cores to determine the penetration of harmful species into concrete is presented. Furthermore, the application of a mobile LIBS system in a parking garage is shown. The system consists of a diode-pumped low-energy laser (3 mJ, 1.5 ns, 100 Hz) and a compact NIR spectrometer. A scanner allows two-dimensional element mapping. Progress towards the establishment of LIBS in a leaflet for the analysis of chlorine ingress into concrete in civil engineering is presented.
LIBS is a complementary method to XRF and can detect all elements without the need for vacuum conditions. Automated systems are already commercially available capable of scanning surfaces with a resolution of up to 0.1 mm within a few minutes. In addition to possible applications in R&D, LIBS is also used for practical applications in building materials laboratories and even on-site.
In view of ageing infrastructure facilities, a reliable assessment of the condition of concrete structures is of increasing interest. For concrete structures, the ingress of potential harmful ions is affecting the serviceability and eventually structural performance. Pitting corrosion induced by penetrating chlorides is the dominant deterioration mechanism. Condition assessment based on frequently performed chloride profiling can be useful to identify the extent and evolution of chloride ingress. This could prove to be more economical than extensive repairs, especially for important infrastructure facilities.
Currently the most common procedure for determining the chloride content is wet chemical analysis with standard resolution of 10 mm. The heterogeneity is not considered. LIBS is an economical alternative for determining the chloride content at depth intervals of 1 mm or less. It provides 2D distributions of multiple elements and can locate spots with higher concentrations. The results are directly correlated to the mass of binder and can also be performed on-site with a mobile LIBS-System.
The application of a LIBS-system is presented. Calibration is required for quantitative analysis. Concrete cores were drilled, sliced and analyzed to determine the 2D-distribution of harmful elements. By comparing the chloride ingress and the carbonation, the interaction of both processes can be visualized in a measurement that takes less than 10 minutes for a 50 mm x 100 mm drill core.
A leaflet on the use of LIBS for the chloride ingress assessment has been completed.
The application of a LIBS system is presented. A diode-pumped low energy laser (3 mJ, 1.5 ns, 100 Hz) and a compact NIR spectrometer are used. A scanner allows the two-dimensional element mapping. For the quantitative analysis calibration of the system is carried out with reference samples in a concentration range of chlorine of 0.05 wt.% to 2.5 wt.%. To determine the 2D distribution of harmful elements (Cl, C), concrete cores were drilled, split and analyzed directly. By comparing the chloride ingress and the carbonation, the interaction of both processes can be visualized in one measurement that takes less than 10 minutes with a drill core of 50 mm x 100 mm. Results obtained were compared and verified with standard measurements.
Es wird ein alternatives Verfahren zur schnellen zweidimensionalen Analyse der chemischen Zusammensetzung von Baustoffen vorgestellt. Dieses beruht auf der Kombination des Abtrags einer geringen Materialmenge durch einen gepulsten Laser, der Plasmaerzeugung und der Analyse der Lichtemission des Plasmas mittels optischer Spektroskopie. Es können prinzipiell alle Elemente gleichzeitig nachgewiesen werden. Damit ist es möglich einerseits Informationen über den Baustoff an sich als auch über den Eintrag potentiell schädigender Elemente (z. B. Cl, C, Na, K, S) zu gewinnen. Das Verfahren kann automatisiert im Labor oder als mobile Version direkt vor Ort eingesetzt werden. Es liefert zweidimensionale Bilder der Elementverteilung in Echtzeit. Es kann ohne große Probenvorbereitung z. B. direkt an der Querschnittsfläche eines Bohrkernes gemessen werden. Die Messung dauert nur wenige Minuten. Das Prinzip der Messung, die Vor- und die Nachteile, sowie die verfügbare Gerätetechnik für den Einsatz im Labor oder direkt am Bauwerk werden vorgestellt. Abschließend werden praktische Beispiele für die Anwendung des LIBS-Verfahrens zur Erfassung des Chlorid-Eintrages, der Karbonatisierung und der Verteilung von Schwefel präsentiert.
Concrete is often used in combination with steel as reinforced concrete. Environmental influences, especially the ingress of harmful ions in combination with the ingress of water, trigger different damage processes which reduce the designed lifetime of a structure. The ingress of chlorides from de-icing salt or sea water leads to corrosion of the reinforcement. Also the carbonation of the concrete may trigger the corrosion of the reinforcement. The ingress of alkalis from de-icing salts may cause the expansion of the amorphous silica aggregates (alkali-silica reaction) through formation of a swelling gel of calcium silicate hydrate if water is present. The ingress of sulfates may cause spalling of the concrete surface due to ettringite formation.
BAM has developed the LIBS technique for automated laboratory use with high numbers of samples to investigate transport processes of harmful species (Cl-, CO2, SO42- and alkalis) in concrete. Information about ingress depth and the quantitative values are important to estimate the remaining lifetime of the infrastructure. To get information about the ingress depth, a core has to be taken and cut in the middle. The measurements are carried out at the cross section. The main advantages of LIBS are the direct measurement on the surface of the concrete, fast analysis (sample rate 100 Hz) with a spatial resolution of up to 100 µm, the consideration of the heterogeneity of the concrete. The possibility of automated measurements saves a lot of manpower and time. At the same time a 2D-evaluation provides information about hot spots of elemental concentration which may not be found by standard methods.
Typical results of 2D investigation of concrete in laboratory will be presented. The performance is also demonstrated by examples for onsite applications using a mobile LIBS system. The road map to standardization is presented as well.
Die „Laser Induced Breakdown Spectroscopy“ (LIBS) bietet die Möglichkeit, direkt auf der optisch zugänglichen Oberfläche von Baustoffen 2-dimensional die Elementverteilung zu erfassen. Durch das zugrundeliegende Prinzip sind alle Elemente des Periodensystems detektierbar, auch leichte Elemente wie Wasserstoff oder Lithium.
Einerseits können alle für die Zusammensetzung des Zementes und der Gesteinskörnung relevanten Elemente erfasst werden, andererseits auch die für Schädigungsprozesse in Beton wichtigen Elemente Chlor, Schwefel, Natrium, Kalium, Kohlenstoff und Stickstoff. Der Nachweis kann simultan erfolgen.
Der Vorteil des Verfahrens liegt in der einfachen Probenvorbereitung, der direkten Messung auf der Oberfläche des Festkörpers und der Schnelligkeit der Messung. Die Heterogenität von Beton wird im Ergebnis berücksichtigt. Die Konzentrationen von schädigenden Ionen lassen sich bezogen auf den Bindemittelgehalt angeben. LIBS liefert standardmäßig qualitative Werte. Durch Kalibrierung anhand von Referenzproben ist eine Quantifizierung der Ergebnisse möglich.
Das Potenzial des Verfahrens wird am Beispiel der Bestimmung der Chlorid-Verteilung in der Bindemittelmatrix vorgestellt. Andere Anwendungen sind die Bestimmung der Karbonatisierungstiefe, die Bestimmung des Eintrages von Alkalien oder die Bestimmung der Verteilung von Schwefel.
Das Verfahren kann im Labor zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben oder vor-Ort zur schnellen Entscheidungsfindung eingesetzt werden. Kommerzielle Geräte sind seit kurzem verfügbar.
Die örtliche Auflösung der Messung beträgt bis zu 0,1 mm × 0,1 mm. Ein Messpunkt hat einen Durchmesser von ca. 100 μm. Die Messfrequenz liegt bei 100 Hz. Als Ergebnis entstehen für jedes Element eine 2D-Darstellungen der Konzentration über der Messfläche.
Der Scan eines Bohrkerns von 50 mm x 70 mm dauert bei einer Auflösung von 0,5 mm lateral und 1 mm vertikal ca. 7 min. Es können auch raue oder gebrochene Oberflächen durch Nachführung der z-Achse untersucht werden. Die Nachweisgrenze für die Bestimmung des Chlorgehaltes bezogen auf den Bindemittelgehalt liegt bei 0,03 M-%.
Der Unterausschuss LIBS im Bauwesen im FA ZfP im Bauwesen der DGZfP arbeitet an der Erstellung von Merkblättern und Regelwerken zur Anwendung des Verfahrens.
Auf dem Weg zum gläsernen Beton neues Analyseverfahren mit laserinduzierter Plasmaspektroskopie
(2018)
Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) oder englisch: Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) ist eine Kombination aus Laserablation mittels energiereichem Laser-Puls, der Erzeugung eines Plasmas auf der zu untersuchenden Oberfläche und dem quantitativen Nachweis der Elementzusammensetzung durch die spektroskopische Untersuchung der vom Plasma emittierten Strahlung. Das Verfahren wird z. B. in der Prozessanalytik, der Sortierung von Rest- und Rohstoffen oder zur Qualitätssicherung in der pharmazeutischen Industrie angewendet.
Das LIPS arbeitet scannend und liefert die zweidimensionale Verteilung der Konzentrationen ausgewählter Elemente – und das auch auf rauen Oberflächen. Alle Elemente können auch gleichzeitig erfasst werden. Damit lassen sich beispielsweise Unterschiede im Eindringverhalten von Chlor und Natrium dokumentieren. Nach einer Kalibrierung stehen quantitative Werte zur Verfügung.
Zurzeit sind Geräte für automatisierte Messungen im Labor und vor Ort verfügbar. Die scannende Messung, mit einer Ortsauflösung von bis zu 80 µm, erfasst die Heterogenität des Betons. Damit kann die ermittelte Konzentration direkt auf den Bindemittelgehalt bezogen werden. Die Messfrequenz beträgt aktuell 100 Hz. Beispielsweise dauert die Erfassung des Chlorgehaltes in einem Bohrkern mit 50 mm Durchmesser und einer Länge von 80 mm, bei drei Mittelungen pro Messpunkt und einer Auflösung von 0,5 mm, nur 8 Minuten. Das Ergebnis steht direkt nach der Messung als „Elementlandkarte“ zur Verfügung. Durch die hohe Ortsauflösung des Verfahrens können z. B. fundiertere Eingangsparameter für Modellrechnungen erzeugt oder der Transport durch Risse visualisiert werden.
Ein LIPS-Gerät liefert Daten für die Bewertung des Istzustandes von Infrastrukturbauwerken. Typische Anwendungen sind die Erfassung von Chlor, Schwefel, Kohlenstoff, Natrium, Kalium und Lithium im Beton oder der Nachweis, der mit einem Marker versehenen Tiefenhydrophobierung, welcher zur Qualitätssicherung herangezogen wird.
Die Messungen sind schnell und automatisiert, so dass eine große Anzahl von Betonkernen in kurzer Zeit ausgewertet werden kann. Die Nachweisgrenze für die Bestimmung der Chlorid-Konzentration liegt mit 0,04 % deutlich unterhalb der allgemein akzeptierten Grenze für die Initiierung der Bewehrungskorrosion von 0,5 % (bezogen auf den Bindemittelgehalt). Dies bestätigten auch Vor-Ort-Messungen, wo Staub und Erschütterungen wenig Einfluss auf die Ergebnisse hatten und das Messsystem sich als stabil und robust erwiesen hat.
Eine technische Spezifikation und Regeln für die Anwendung des Verfahrens erarbeitet der neu gegründete Unterausschuss LIBS im Fachausschuss Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen der Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e.V..
The majority of the built infrastructure is made of concrete, which is a multiphase system made of cement, aggregates, water and pores. Concrete is often used in combination with steel as reinforced concrete. Environmental influences, especially the ingress of harmful ions in combination with the ingress of water, trigger different damage processes which reduce the designed lifetime of a structure. The ingress of chlorides from de-icing salt or sea water leads to corrosion of the reinforcement. Also the carbonation of the concrete may trigger the corrosion of the reinforcement. The ingress of alkalis from de-icing salts may cause the expansion of the amorphous silica aggregates (alkali-silica reaction) through formation of a swelling gel of calcium silicate hydrate if water is present. The ingress of sulfates may cause spalling of the concrete surface due to ettringite formation.
For the standard procedure in civil engineering cores are taken, cut in slices, grinded and the obtained homogenized powder is solved in acid and investigated by standard procedures.
BAM has developed the LIBS technique for the 2D evaluation of the chemical composition of concrete [1-11]. The technique is established for automated laboratory use with high numbers of samples to investigate transport processes of harmful species (Cl-, CO2, SO42- and alkalis) in concrete. Information about ingress depth and the quantitative values are important to estimate the remaining lifetime of the infrastructure. LIBS is a surface technique. To get information about the ingress depth, a core has to be taken and cut in the middle. The measurements are carried out at the cross section. The main advantages of LIBS are the direct measurement on the surface of the concrete, fast analysis (sample rate 100 Hz) with a spatial resolution of up to 100 µm, the consideration of the heterogeneity of the concrete and the possibility of automated measurements which save a lot of manpower and time. As an example the investigation of ingress profiles for standard diffusion and migration tests in civil engineering takes hours in comparison to just a few minutes using LIBS. At the same time a 2D-evaluation provides information about hot spots of elemental concentration which may not be found by standard methods.
Ingress of chlorides due to a crack in a repair mortar. Left: Photo of the cross section of a concrete core and the surface investigated by LIBS (area 70 mm x 70 mm). Right: Color coded chlorine intensity on the cross section of a concrete core, dark red represents high chlorine content.
The state of the art of LIBS technique for applications in civil engineering will be presented, including typical results of 2D investigation of concrete in laboratory. The performance is also demonstrated by examples for onsite applications using a mobile LIBS system. The road map to standardization is presented as well.
Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a spectroscopic method for detecting the chemical composition of optically accessible surfaces. In principle, the measurement of all elements of the periodic table is possible. System calibrations allow the quantification of element concentrations. In combination with scanner systems, the two-dimensional element distribution can be determined. Even rough surfaces can be measured by online adjustment of the laser focus. To detect element ingress into the concrete, typically cores are taken, cut in half, and LIBS measurements are performed on the cross-section. The high spatial resolution as well as the simultaneous multi-element analysis enables a separate evaluation of the binder-matrix and aggregates. Therefore, the element concentrations can be determined directly related to the cement paste. LIBS measurements are applicable in the laboratory, on-site and also over a distance of several meters.
Common applications include the investigation of material deterioration due to the ingress of harmful ions and their interaction in porous building materials. LIBS is able to provide precise input parameters for simulation and modelling of the remaining lifetime of a structure. Besides the identification of materials, also their composition can be determined on hardened concrete, such as the type of cement or type of aggregate. This also involves the identification of environmentally hazardous elements contained in concrete. Another possible application is the detection of the composition of material flows during dismantling. Non-contact NDT for “difficult to assess” structures as an example application through safety glass or in combination with robotics and automation are also possible.
This work presents the state of the art concerning LIBS investigations on concrete by showing exemplary laboratory and on-site applications.
Gas distribution mapping is important to have an accurate understanding of gas concentration levels in hazardous environments. A major problem is that in-situ gas sensors are only able to measure concentrations at their specific location. The gas distribution in-between the sampling locations must therefore be modeled. In this research, we interpret the task of spatial interpolation between sparsely distributed sensors as a task of enhancing an image's resolution, namely super-resolution. Because autoencoders are proven to perform well for this super-resolution task, we trained a convolutional encoder-decoder neural network to map the gas distribution over a spatially sparse sensor network. Due to the difficulty to collect real-world gas distribution data and missing ground truth, we used synthetic data generated with a gas distribution simulator for training and evaluation of the model. Our results show that the neural network was able to learn the behavior of gas plumes and outperforms simpler interpolation techniques.
To better understand the dynamics in hazardous environments, gas distribution mapping aims to map the gas concentration levels
of a specified area precisely. Sampling is typically carried out in a spatially sparse manner, either with a mobile robot or a sensor network and concentration values between known data points have to be interpolated. In this paper, we investigate sequential deep learning models that are able to map the gas distribution based on a multiple time step input from a sensor network. We propose a novel hybrid convolutional LSTM - transpose convolutional structure that we train with synthetic gas distribution data. Our results show that learning the spatial and temporal correlation of gas plume patterns outperforms a non-sequential neural network model.
Development of a Low-Cost Sensing Node with Active Ventilation Fan for Air Pollution Monitoring
(2021)
A fully designed low-cost sensing node for air pollution monitoring and calibration results for several low-cost gas sensors are presented. As the state of the art is lacking information on the importance of an active ventilation system, the effect of an active fan is compared to the passive ventilation of a lamellar structured casing. Measurements obtained in an urban outdoor environment show that readings of the low-cost dust sensor (Sharp GP2Y1010AU0F) are distorted by the active ventilation system. While this behavior requires further research, a correlation with temperature and humidity inside the node shown.
Precise knowledge about the distribution of air pollutants is necessary to develop plausible occupational health measures. Combinatory systems, consisting of mobile robots and stationary sensors, can be effective solutions for the coverage of large measurement areas. However, further research is needed to fully understand their performance in comparison to traditional sensing strategies. Therefore, multiple sensor networks layouts will be set up in a simulation environment as well as in real industrial environments. Models for distribution mapping will be developed and evaluated to investigate the performance and opportunities of hybrid-mobility sensor networks for the task of distribution mapping.
Air pollution in industrial environments is a major risk. Precise knowledge about the distribution of air pollutants is necessary to develop plausible occupational health measures. Combinatory systems, consisting of mobile robots and stationary sensors, can be effective solutions for the coverage of large measurement areas.
Gas Distribution Mapping (GDM) is essential in monitoring hazardous environments, where uneven sampling and spatial sparsity of data present significant challenges. Traditional methods for GDM often fall short in accuracy and expressiveness. Modern learning-based approaches employing Convolutional
Neural Networks (CNNs) require regular-sized input data, limiting their adaptability to irregular and sparse datasets typically encountered in GDM. This study addresses these shortcomings by showcasing Graph Neural Networks (GNNs) for learningbased GDM on irregular and spatially sparse sensor data. Our Radius-Based, Bi-Directionally connected GNN (RABI-GNN) was trained on a synthetic gas distribution dataset on which it outperforms our previous CNN-based model while overcoming its constraints. We demonstrate the flexibility of RABI-GNN by applying it to real-world data obtained in an industrial steel factory, highlighting promising opportunities for more accurate GDM models.
Gas distribution mapping (GDM) is a valuable tool for monitoring the distribution of gases in various applications, including environmental monitoring, emergency response, and industrial safety. While GDM is actively researched in the scope of gas-sensitive mobile robots (Mobile Robot Olfaction), there is a potential for broader applications utilizing sensor networks. This presentation gives an overview of the different approaches to GDM and motivate the use of a deep-neural network-based approach. As access to ground truth representations of gas distributions remains a challenge in GDM research, an approach for the simulation of realistic-shaped synthetic gas plumes is described, which was used for training Gas Distribution Decoder, a deep neural network for spatial interpolation of spatially sparse gas measurements.
Setting up sensors for the purpose of environmental monitoring should be a matter of days, but often drags over weeks or even months, preventing scientists from doing real research. Additionally, the newly developed hardware and software solutions are often reinventing existing wheels. In this short paper, we revisit the design of our environmental sensing node that has been monitoring industrial areas over a span of two years. We share our findings and lessons learned. Based on this, we outline how a new generation of sensing node(s) can look like.
Die PKI zum digitalen Akkreditierungssymbol der DAkkS sowie dessen Funktionsweise und daraus resultierende Mehrwerte für Kalibrierlaboratorien und Endanwender werden vorgestellt. Im Anschluss wird der aktuelle Stand bei der Einführung des digitalen Kalibrierscheins (DCC) im akkreditierten Kalibrierlabor der BAM wiedergegeben. Eine Roadmap für die Digitalisierung des Kalibrierlabors sowie die Vorstellung des Quality-X Konzeptes geben einen Ausblick in die nähere Zukunft.
We present our achievements in the development of distributed fiber optic sensing systems based on Brillouin optical frequency-domain analysis for structural health monitoring. The focus of the applications is on the gapless monitoring of geotechnical structures, large area infrastructures and electrical grids. The work includes the latest use of machine learning algorithms to reduce measurement time by coexistent increasing the measurement accuracy.
Monitoring of construction projects plays increasingly important role in the implementation of growing needs and requirements, especially in geologically difficult areas. This particularly concerns tunnelling and special civil engineering projects. The use of fiber optic sensors for structural health monitoring provides significant economic advantages regarding lower life-cycle costs of the civil infrastructure. We present our achievements in the development of distributed polymer optical fiber sensors based on Rayleigh and Brillouin scattering for early damage detection.
The topic of the presentation are distributed fiber optic measurement techniques that can be used for long-term monitoring of strain, temperature and radiation distribution in the radiation environment. The fiber optic sensors applied to the surface of waste packages provide detection and localization of cracks.
In the present study, the impact of static traffic loading on the slight deflection effects in the concrete structure of an existing bridge has been investigated using distributed fiber optic sensors. In the face of increasing traffic density and severe traffic loading, the results of the load tests on the Amsterdam bridge 705 make an important contribution to the understanding of its structural behavior. The concept of the static loading was based on the use of two 36-ton trucks stopped on the bridge at multiple pre-determined locations. The load applied in this way led to location-dependent small deflection effects recorded as longitudinal strain of the sensing fiber embedded at the underside of the bridge. The measurements were performed with a commercially-available solution based on Tunable Wavelength Coherent Optical Time Domain Reflectometry with the measurement accuracy in the range of 0.5 µm/m.
Faseroptische Strahlungssensoren ermöglichen ein räumlich verteiltes Online-Monitoring entlang der gesamten Sensorfaser. Verschiedene Messverfahren nutzen überwiegend zwei durch die ionisierende Strahlung in optischen Fasern induzierte Effekte, d. h. die Erhöhung der optischen Dämpfung und die damit verbundene Veränderung des Brechungsindex des Fasermaterials. Die Sensitivität der Strahlungssensoren lässt sich je nach Anwendung durch die Wahl der Dotierstoffe im Glasfaserkern sowie der Art des Polymermaterials des POF-Sensors beeinflussen. Ferner ist die Sensitivität auch durch den Betrieb bei geeigneten Wellenlängen einstellbar. Bei dem sensorischen Einsatz von faseroptischen Sensoren muss auch die vorhandene Ausheilung des Sensors sowie die Abhängigkeit der erfassten Messsignale von der Temperatur und der Dosisleistung berücksichtigt werden.
We present our research on the development of a Brillouin optical frequency-domain analysis (BOFDA) using a perfluorinated graded-index polymer optical fiber (PFGI-POF) as a sensing fiber. The described works include investigations both on the selection of the setup components with respect to mode coupling effects and on the impact of the humidity cross-sensitivity. The suitability of the developed POF-based BOFDA is proved by a distributed measurement on an 86 m long PFGI-POF recorded with the spatial resolution of 6 m.
We present a prototype of a distributed POF sensing system for strain detection in road construction and civil engineering ready to be used in practical applications. The system is based on a cost-efficient digital incoherent optical frequency domain reflectometry (I-OFDR). In this approach, the strain-induced changes in the Rayleigh backscattering profile along a perfluorinated polymer optical fiber (PF-POF) are determined by measuring the complex transfer function of the sensing fiber using a compact digital data acquisition unit. The digital unit replaces an oversized vector network analyzer (VNA) enabling suitability of the measurement system for out-door use and providing a significant reduction of the total system costs at the same time. The entire sensor con-cept includes the use of geosynthetics with integrated PF-POFs as two-dimensional sensor structures for geotech-nical applications. The robustness and the functionality of the distributed POF I-OFDR sensors were proven in the field. The field test involved embedding of two geomats, each with two polymer optical sensor loops, into the embankment of the federal road B 91 in a section near Leipzig. The measurements conducted after the sensor-based geomats had been installed confirmed both the potential of such smart geosynthetics and the functionali-ty of the digital I-OFDR prototype.
Distributed fiber optic strain sensing for structural health monitoring of 70 MPa hydrogen vessels
(2024)
We report on the development and testing of 70 MPa hydrogen pressure
vessels with integrated fiber optic sensing fibers for automotive use. The paper deals with the condition monitoring of such composite pressure vessels (CPVs) using the optical backscatter reflectometry (OBR) applied for a distributed fiber optic strain sensing along fully integrated polyimide-coated single-mode glass optical fiber (SM-GOF). The sensing fibers were embedded into the vessel structure by wrapping them over the polymer liner during the manufacturing process of the carbon fiber reinforced polymer (CFRP). Detecting local strain events by the integrated fiber optic sensors can be an opportunity for monitoring the material degradation of CPVs under static and cyclic loading.
We present a distributed polymer optical fiber sensor system for deformation monitoring of geotechnical infrastructure. The sensor system is based on the digital incoherent optical frequency domain reflectometry (I-OFDR) for the detection of local strain events along a perfluorinated polymer optical fiber (PF-POF) used as a sensing fiber. For the best possible load transfer, the PF-POFs were integrated onto geosynthetics which pose a sensor carrier for the sensing fiber. By using elastic PF-POF instead of a standard glass fiber as a sensing fiber the strain range of geosynthetics-integrated fiber optic sensors could be extended up to 10 % in accordance with the end-user requirements.
In this paper, we investigate the influence of different heat source pulse shapes by Infrared impulse thermography (IRT) on the results of the thermal shock response spectrum (TSRS) methodology. TSRS is a new alternative approach for evaluating impulse thermography (IRT) data based on an analogy to Shock Response Spectrum (SRS) analysis (ISO 18431) for mechanical systems. It allows processing the entire recorded signal without truncating the saturated thermogram, as in pulse-phase thermography (PPT) or thermal signal reconstruction (TSR). For this purpose, we use a widespread halogen lamp as heat source as well as laser spot. The laser source enables not only to generate a precise shape of the pulse, but also to heat a specific area of the sample uniformly. This makes it possible to suppress influences of lateral fluxes due to uneven distribution of the excitation source on the surface of the specimen and leads to improved results. In order to quantitatively compare the results and to investigate the possible influence of the source shape on the TSRS, the Tanimoto criterion and the signal-to-noise ratio (SNR) were applied to the region of interest (ROI) of the carbon fiber reinforced polymer (CFRP) laminate with artificial defects as defect detectability criterion.
Guided wave ultrasonic features in composite overwrapped pressure vessels towards digital twin
(2023)
The digitalization of quality control processes and the underlying data infrastructures for safety relevant components, such as hydrogen pressure vessels, plays a significant role in the transition towards Industry 4.0. In the current safety regulations for hydrogen pressure vessels, there is no established concept for structural health monitoring. The development of a reliable structural health monitoring methodology for monitoring the structural integrity of pressure vessels enables a fast-forward transition from personnel- and costintensive recurring inspections, a.k.a. periodic maintenance, to predictive maintenance. In the work presented; we investigated the application of ultrasonic guided wave propagation to monitor and assess the condition of Type IV composite overwrapped pressure vessel (COPV). A sensor network of fifteen piezo-electric wafers is placed on the carbon fibre reinforced composite cylinder. Five different artificial damage configurations are created by gluing two different weight blocks on three different locations. The database containing measured guided wave data sets is enriched by two different boundary conditions. We utilized an open-source software, openBIS labnotebook, to store and analyse experimental datasets. The guided wave ultrasonic signals were investigated and analysed by using commonly used ultrasonic features (e.g., amplitude, frequency, time of flight) as well as non-traditional time-series features (kurtosis, skewness, variance). The features were used to calculate damage index and the detection performance for the results has been evaluated. The results suggest that both traditional and non-traditional features assume significant importance in artificial damage detection. The future works will additionally involve the impacts of operational conditions, such as periodic pressure variations temperature loadings as well as material degradations.
Lamb waves are a common tool in the field of non-destructive testing and are widely used for material characterisation. Further, the increasing computational capability of modern systems enables the Simulation of complex and detailed material models. This work demonstrates the possibility of simulating an adhesive-bonded multilayer system by characterising each layer individually, and introduces an Approach for determining the dispersive behaviour of acoustic waves in a multilayer system via real measurements.
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung bei der Auswertung von Schienenprüfungen zu verbessern. Der Prozess der mechanisierten Schienenprüfung wird analysiert und die Schienenfehler sowie Artefakte werden in einem digitalen Zwilling abgebildet, um in einem weiteren Schritt die automatische Fehlererkennung und Klassifizierung mit KI-Algorithmen trainieren zu können. Zu diesem Zweck werden Ultraschalldatensätze auf der Grundlage der Regelwerke und Informationen aus der Instandhaltung mit einer Simulationssoftware erstellt, die Anzeigen der verschiedenen Schienenschädigungen und Artefakte enthalten.
Die Schienenfehler werden bei der Auswertung in Fehlerklassen eingeordnet, für das KI-Training priorisiert und auf Basis der von der DB Netz AG ausgewählten Informationen untersucht. Hierfür werden die Schienenfehler nach den für das KI-Training relevanten Merkmalen zerlegt und die Konfiguration der Parameter der Simulation entsprechend abgestimmt.
Für die Grundstruktur des Datensatzes wird ein Schienenmodell mit einer Länge von einem Meter für die Simulation eingesetzt, auf dessen Basis alle bei der Schienenprüfung zu verwendenden Prüfköpfe für den jeweiligen Reflektortyp betrachtet werden. Die simulierten Daten werden auf einer Testschiene im Labormaßstab validiert. Mögliche Einflussparameter wie z. B. der Signal-Rausch-Abstand sowie die Fahrgeschwindigkeit werden in den Datensätzen herangezogen. Die Zusammenstellung eines Testdatensatzes mit lokal veränderlichen Einflussgrößen erfolgt aus den simulierten Daten unter Verwendung der skriptbasierten Programmierumgebung Python und Matlab.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens AIFRI „Arteficial Intelligence for Rail Inspection“ wird der Prozess der mechanisierten Schienenprüfung in einem digitalen Zwilling abgebildet, um in einem zweiten Schritt mit KI-Algorithmen eine automatisierte Defekterkennung und -klassifizierung trainieren zu können. Hierzu werden relevante Schienenschädigungen und in der Schiene vorhandene Artefakte analysiert und in skalierbare Modelle übertragen.
Die Norm DIN EN 16729-1 „Bahnanwendungen - Infrastruktur - Zerstörungsfreie Prüfung an Schienen im Gleis - Teil 1: Anforderungen an Ultraschallprüfungen und Bewertungsgrundlagen“ gilt für die Prüfausrüstung von Schienenprüffahrzeugen und handgeführten Rollgeräten und legt die Anforderungen an die Prüfgrundsätze und -systeme bei der Prüfung verlegter Eisenbahnschienen fest, um vergleichbare Ergebnisse in Bezug auf Lage, Art und Größe der Unregelmäßigkeiten in den Schienen zu erhalten.
Um die Performance von Prüfsystemen in der Simulation zu evaluieren, wurden die in den Anhängen der DIN EN 16729-1 angegebenen Bezugsreflektoren als künstliche Reflektoren (nach Anhang A) und simulierte Reflektoren (nach Anhang B) in einem digitalen Zwilling mit einem Schienenprofil 54E4 nach DIN EN 13674-1 sowie mit vereinfachter Geometrie als virtuelle Testschienen abgebildet.
Die Simulationen wurden mit den in den Tabellen 3 und 4 nach DIN EN 16729-1 definierten Prüfkopfwinkeln durchgeführt. Die Rechnungen wurden im Labormaßstab an Testkörpern verifiziert und die Signal-Rausch-Abstände für Untersuchungen im Feld ermittelt.
Ergebnisse der Untersuchungen und Möglichkeiten der Anwendung werden vorgestellt.
Das Forschungsvorhaben wird durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) im Rahmen von mFund unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 gefördert.
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung und Bewertung bei der Auswertung von Schienenprüfungen mittels Ultraschall- und Wirbelstromprüfverfahren zu verbessern. Je nach Prüfverfahren werden relevante Schienenschädigungen (z. B. Head Checks) und Artefakte (z. B. Bohrungen) entsprechend analysiert und in einem parametrisierbaren digitalen Zwilling abgebildet, um anschließend die KI-Algorithmen trainieren zu können. Mit der Simulation können Prüffahrten virtuell durchgeführt und Schadensbilder für das KI-Training erzeugt werden, die das Verhalten komplexer Systeme reproduzieren, ohne dass das reale System benötigt wird. Die Modellannahmen sind dabei von erheblicher Bedeutung, denn unzureichende Modellannahmen führen leicht zu falschen Simulationsergebnissen. Um die Ergebnisse einer Simulation ordnungsgemäß darstellen zu können, ist das Simulationsmodell selbst zu überprüfen.
Die Vollständigkeit, Richtigkeit und Genauigkeit der Simulationsergebnisse werden anhand von realen Prüfungen verifiziert. Für die Verifikation der Ultraschallsimulation werden hier Stegbohrungen als Referenzreflektoren herangezogen. Als Testkörper stehen Schienensegmente mit unterschiedlichen Profiltypen sowie speziell angefertigte Testkörper mit schienenähnlicher Geometrie zur Verfügung. In den Testkörpern befinden sich künstliche und reale Schädigungen in Kopf-, Steg- und Fußbereich, sowie Bohrungen mit Nuten. Die Validierung der Wirbelstromsimulation erfolgt an Testkörpern, die aus Schienenköpfen gefertigt sind. Dabei werden die Signale für unterschiedliche Nuttiefen und Nutenpaare mit unterschiedlichen Abständen untersucht.
Für die Modellierung der Simulationsergebnisse verweisen wir auf das ebenfalls eingereichte Poster „Simulation von Ultraschall- und Wirbelstromprüfdaten für die Schienenprüfung“.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
Bei der Trocknung von Gesteinen vermindert sich der Anteil des Wasservolumens im Porenraum, der als Sättigung bezeichnet wird. Mit abnehmender Sättigung sinkt die elektrische Leitfähigkeit des Gesteins. Die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Sättigung wird durch ein Potenzgesetz entsprechend der 2. Archie-Gleichung beschrieben: log(#CHR:sigma_LOWER#)=n log(S<sub>w</sub>), wobei n der Sättigungsexponent ist. Bei der Trocknung von Gesteinen muss beachtet werden, dass die Wasserleitfähigkeit mit abnehmender Sättigung zunimmt, da die Konzentration der im Wasser gelösten Salze ansteigt. Das hat zur Folge, dass die bei Trocknungsexperimenten bestimmten Sättigungsexponenten deutlich kleiner sind als bei Verdrängungsexperimenten (z.B. Wasser durch Öl) mit gleichbleibender Wasserleitfähigkeit. Bei der Spektral(en) Induzierten Polarisation wird die komplexe elektrische Leitfähigkeit des Gesteins als Funktion der Frequenz betrachtet. Für den Real- und Imaginärteil der elektrischen Leitfähigkeit werden unterschiedliche Sättigungsexponenten bestimmt.
Wir haben an zwei Sandsteinproben (Langenauer und Gravenhorster Sandstein) und einem Baumberger Kalksandstein Trocknungsexperimente durchgeführt. Die Sättigung wurde schrittweise von 100 % bis auf 10 % reduziert. In jeder Sättigungsstufe wurden an den Proben die Spektren der komplexen elektrischen Leitfähigkeit aufgezeichnet. Unsere Experimente zeigen, dass die Sättigungsexponenten für den Imaginärteil der komplexen elektrischen Leitfähigkeit mit 1,23 bis 1,59 deutlich größer sind als die des Realteils mit Werten zwischen 0,41 und 0,90. Dieser Unterschied resultiert aus der Tatsache, dass der Imaginärteil der Leitfähigkeit weniger stark mit zunehmender Wasserleitfähigkeit ansteigt als der Realteil. Für den Realteil der elektrischen Leitfähigkeit wird nach der 1. Archie-Gleichung ein linearer Zusammenhang zwischen Wasserleitfähigkeit und Gesteinsleitfähigkeit erwartet. Der Anstieg des Imaginärteils mit der Wasserleitfähigkeit kann mit einem Potenzgesetz mit einem Exponenten zwischen 0.1 und 0.62 beschrieben werden. Unsere Experimente zeigen, dass der Imaginärteil der elektrischen Leitfähigkeit wesentlich deutlicher auf die Austrocknung von Gesteinen reagiert und damit ein wirksamer Indikator zur Überwachung von Sättigungsänderungen sein kann.
Die Thermografie ist trotz ihrer ausgereiften wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen ein noch relativ junges Mitglied in der Familie der zerstörungsfreien Prüfverfahren. Sie erschließt sich aufgrund einer Reihe von Vorzügen eine wachsende Anwenderschaft. Für eine weitere Verbreitung insbesondere im industriellen Kontext spielen Normen, Standards und Richtlinien eine wichtige Rolle. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Normierung vorgestellt. Wir werden zeigen, welche Grundlagennormen und Anwendungsnormen es für die Thermografie in Deutschland und international gibt und wir wagen einen Blick in die Zukunft. Darüber hinaus lebt auch die Normierungsarbeit von der Beteiligung durch interessierte Kreise. Dies können industrielle und akademische Anwender*innen, Hersteller*innen von Geräten, Forschungseinrichtungen oder Dienstleistungsunternehmen sein. Sie können gern Ihre Bedarfe bezüglich Normierungsprojekten mitbringen und/oder direkt an die Autoren senden.
Optical lock-in thermography is a completely contactless and very sensitive NDT technique. As an optical source of energy, incandescent lamps are most commonly used because they are relatively inexpensive and offer high irradiances at the test specimen. However, they are strongly restricted by their low modulation bandwidth with a maximum modulation frequency of only about 1 Hz. The use of high-power kilowatt-class laser sources, e.g. diode laser arrays, pushes this constraint beyond 100 Hz. This allows for the exploration of the near-surface region of metals and layer systems with better and more accurate penetration depth and depth resolution. Moreover, these lasers are virtually free of any additional thermal radiation that could interfere with the “true” thermal response emitted from the heated sample. In turn, they can be easily used in a one-sided test configuration.
We present current activities with kilowatt-class high-power laser sources for advanced lock-in thermography and focus on the application of laser arrays that offer a very high irradiation strength over a large sample area beyond the mentioned advantages.
Optical lock-in thermography is a completely contactless and very sensitive NDT technique. As an optical source of energy, incandescent (i.e. halogen) lamps are most commonly used because they are relatively inexpensive and offer high irradiances at the test site. However, they are strongly restricted by their low modulation bandwidth with a maximum modulation frequency of only about 1 Hz. The use of high-power kilowatt-class laser sources, e.g. diode laser arrays, pushes this constraint beyond 100 Hz, see Fig.1. This allows for the exploration of the near-surface region of metals and layer systems with better and more accurate penetration depth and depth resolution. Moreover, these lasers are virtually free of any additional thermal radiation that could interfere with the “true” thermal response emitted from the heated sample. In turn, they can be easily used in a one-sided test configuration.
Using the one-dimensional solution to the thermal heat diffusion equation together with the absorptance of the material which is illuminated with a harmonically modulated light source, we can calculate the temperature oscillation at the surface of a solid. As a second step, we calculate the corresponding oscillation of the total thermal emission using Stefan-Boltzmann law as a first order approximation and taking into account the emissivity of the material. Within this framework we can calculate the minimal irradiance of a light source necessary to provoke a measurable signal within a thermographic camera at a noise equivalent temperature difference (NETD) of 30 mK. In Fig. 2 this relationship is displayed for a wide spectrum of modulation frequencies and for a number of different light sources scaled to the same electrical input power and illumination area. Using this figure, it is now easily possible to analyze the range of materials to be tested using lock-in thermography, since only the materials (dotted lines) below the irradiance-vs-frequency curves (solid lines) are heated in excess of the camera’s NETD. This figure clearly shows that laser sources considerably increase the application range of lock-in thermography, since especially for metals with a high reflectance and high thermal diffusivity a high irradiance is vitally important to allow for lock-in texting.
We present current activities with kilowatt-class high-power laser sources for advanced lock-in thermography and focus on the application of laser arrays that offer a very high irradiation strength over a large sample area beyond the mentioned advantages.
Die Thermografie ist trotz ihrer ausgereiften wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen ein noch relativ junges Mitglied in der Familie der zerstörungsfreien Prüfverfahren. Sie erschließt sich aufgrund einer Reihe von Vorzügen eine wachsende Anwendungsgemeinde. Für eine weitere Verbreitung insbesondere im industriellen Kontext spielen Normen, Standards und technische Regeln eine wichtige Rolle. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Normung in Deutschland vorgestellt. Wir zeigen, welche Normen und technischen Regeln es für die Thermografie in Deutschland und international gibt und wir wagen einen Blick in die Zukunft. Darüber hinaus lebt auch die Normierungsarbeit von der Beteiligung durch interessierte Kreise. Dies können industrielle und akademische Anwender*innen, Hersteller*innen von Geräten, Forschungseinrichtungen oder Dienstleistungsunternehmen sein. Sie können gern Ihre Bedarfe bezüglich Normierungsprojekten mitbringen und/oder direkt an die Autoren senden.
Due to their high irradiance and wide modulation bandwidth, high-power lasers open up a wide field of application. For example, the classical methods of pulse and lock-in thermography can be realized in high quality. In addition, structured heating is also possible by using arrays of such lasers. This makes it possible to implement new thermographic methods, such as interference-based detection of cracks or super resolution.
Die thermografische ZfP basiert auf der Wechselwirkung von thermischen Wellen mit Inhomogenitäten. Diese Inhomogenitäten hängen mit der Probengeometrie oder der Materialzusammensetzung zusammen. Obwohl die Thermografie für ein breites Spektrum von Inhomogenitäten und Materialien geeignet ist, ist die grundlegende Einschränkung die diffuse Natur der thermischen Wellen und die Notwendigkeit, ihre Wirkung lediglich an der Probenoberfläche radiometrisch messen zu können. Die Ausbreitung der thermischen Wellen von der Wärmequelle über die Inhomogenität zur Detektionsoberfläche führt zu einer Verschlechterung des räumlichen Auflösungsvermögens der thermografischen Technik. Ein neuer konzertierter Ansatz auf Basis einer räumlich strukturierten Erwärmung und einer Joint Sparsity des Signalensembles ermöglicht eine verbesserte Rekonstruktion von Inhomogenitäten.
Im Beitrag wird die Implementierung dieses Ansatzes auf Basis einer strukturierten Beleuchtung mit einem 1D-Laser-Array vorgestellt. Die einzelnen Emitterzellen des Laser-Arrays werden durch ein pseudozufälliges Binärmuster gesteuert und zusätzlich leicht verschoben. Die wiederholte Messung dieser verschiedenen Konfigurationen bei gleichzeitig konstanter Inhomogenität ermöglicht eine Rekonstruktion der Inhomogenität unter Ausnutzung der Joint Sparsity.
Das thermografische Nachweisprinzip beruht auf der Analyse von instationären Temperaturverteilungen, welche durch die Wechselwirkung eines von außen zugeführten Wärmestroms mit der inneren Geometrie des Prüfobjekts oder mit darin eingeschlossenen Inhomogenitäten verursacht werden. Eine äquivalente Beschreibung dieses wechselwirkenden Wärmestroms ist die Ausbreitung von Wärmewellen im Inneren des Prüfobjekts. Obwohl die Thermografie für die Erkennung einer Vielzahl von Inhomogenitäten und für die Prüfung verschiedenster Materialien geeignet ist, besteht die grundlegende Einschränkung in der diffusen Natur der Wärmewellen und der Notwendigkeit, ihre Wirkung nur an der Prüfobjektoberfläche radiometrisch messen zu können. Der fundamentale Nachteil von diffusen Wärmewellen gegenüber propagierenden Wellen, wie sie z. B. im Ultraschall vorkommen, ist die dadurch verursachte schnelle Verschlechterung der räumlichen Auflösung mit zunehmender Defekttiefe. Diese Verschlechterung schränkt in der Regel die Anwendbarkeit der Thermografie bei der Suche nach kleinen tiefliegenden Defekten ein.
Ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der räumlichen Auflösung und damit der Erkennungsempfindlichkeit und der Rekonstruktionsqualität in der thermografischen Prüfung liegt in der speziellen Formung dieser diffusen Wärmewellenfelder mittels strukturierter Laserthermografie bzw. photothermischer Anregung. Einige Beispiele sind:
- Schmale rissartige Defekte unterhalb der Oberfläche können durch Überlagerung mehrerer interferierender Wärmewellenfelder mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden,
- Nahe beieinander liegende Defekte können durch mehrere Messungen mit unterschiedlichen Heizstrukturen getrennt werden,
- Defekte in unterschiedlichen Tiefen können durch eine optimierte zeitliche Gestaltung der thermischen Anregungsfunktion unterschieden werden,
- Schmale Risse auf der Oberfläche können durch robotergestütztes Scannen mit fokussierten Laserspots gefunden werden,
- Defekte, die während der additiven Fertigung auftreten, können bereits im Bauraum und mit dem Fertigungslaser detektiert werden.
Wir präsentieren die neuesten Ergebnisse dieser Technologie, die mit Hochleistungslasersystemen und modernen numerischen Methoden erzielt wurden.
Impact damages and delaminations in fibre-reinforced composites (FRC) might not be visible at the surface, but could have an influence on the resistance and on the long-term behaviour of the component. Therefore, and especially for safety relevant structures, non-destructive methods are required for the assessment of such damages.
Active thermography methods are suitable to characterize damages after loading using different kind of excitation techniques and various configurations of infrared (IR) camera and heating sources. Here, flash lamps, impulse excitation with infrared radiator and lock-in technique with halogen lamps or widened laser beams are suited. In addition, non-optical sources like sonotrodes (requiring direct contact to the structure) or induction generators (only suited for carbon fibre reinforced polymer (CFRP) structures) could be applied as well. For the investigation of the evolution of the damage during the impact, passive thermography can be applied in-situ. Elastic and plastic deformations alter the temperature of the structure and thus the temperature on the surface.
In this contribution, at first the general principles of quantitative defect characterisation in FRC using active thermography with flash, impulse and lock-in excitation are described. Optical and thermal properties of the FRC material and its anisotropy are considered. Results of phase differences obtained at flat bottom holes with flash and lock-in thermography are compared for qualifying both methods for quantitative defect characterization. Secondly, the damage evolution of CFRP and GFRP structures under impact load and static tensile loading is described. The spatial and temporal evolution of the surface temperature enables us to distinguish matrix cracks or fibre-matrix separation from delaminations between the layers. Afterwards, all results for loading defects, obtained by passive and active thermography, are compared with each other. Fig. 1 and 2 show the difference of passive and flash thermography obtained at impact and tensile loaded CFRP plates, respectively. As one purpose of these investigations is the development of standards within national (DIN) and European (CEN) standardisation bodies, new draft and final standards are presented and further needs are discussed at the end of the presentation.
Das Projekt befasst sich mit einem neuen Ansatz, den pH-Wert im Beton zu bestimmen.
Der pH-Wert ist vor allem für Stahlbeton-Bauwerke von Bedeutung, da dieser maßgeblich die Korrosion des Stahls beeinflusst. Im frischen Beton liegt der pH-Wert im basischen Bereich.
Der Stahl ist in diesem Bereich passiviert, also vor schädlicher Korrosion geschützt. Durch die sogenannte Karbonatisierung sinkt der pH-Wert und die Korrosionswahrscheinlichkeit steigt deutlich an. Die Stabilität von Bauwerken in denen Stahlbeton verbaut ist, wird durch diese Korrosion langfristig beeinträchtigt. Allein in deutscher Infrastruktur rechnet man mit circa 5 Milliarden Euro Schaden jährlich.
Die entwickelte Methode verwendet Sonden, welche die Korrosion Monitoren sollen. Im Sondeninneren befindet sich eine Schicht pH-Indikator (Thymolblau) und eine Schicht mit Quantenpunkten. Die Quantenpunkte fluoreszieren, nach Anregung durch zum Beispiel einen Laser, bei circa 440 nm (blau) beziehungsweise 610 nm (gelb-orange). Das Thymolblau ist im basischen Milieu (pH > 9,6) blau, im neutralen Milieu (um pH 7) gelb-orange. Der Indikator wirkt wie ein Farbfilter und lässt, je nach pH-Wert, unterschiedliche Wellenlängen zur Glasfaser durch. Aus der gemessenen Intensität bei 440 nm und 610 nm kann ein Verhältnis ermittelt werden. Dieses Verhältnis lässt erkennen, welchen pH-Wert das Milieu besitzt, in dem sich die Sonde befindet.
Die entwickelte Methodik ist zerstörungsfrei, das heißt kein Material muss aus den Bauwerken entnommen werden. Vielmehr sollen die Sonden beim Betonieren in das Bauwerk eingebettet werden. Über Glasfasern können die Sonden jederzeit angesprochen werden. Dies ermöglicht permanentes pH-Monitoring, was die Früherkennung von Korrosionsgefahr verbessert und die Sanierungskosten verringert.
Metallische Mikropartikel in der Größenfraktion von ca. 10 – 100 Mikrometer bilden das Grundmaterial für den additiven Aufbau komplexer Strukturen durch lokales Aufschmelzen mit einem Laserstrahl. Entscheidend für dieses Verfahren ist die Kenntnis der Größen-, Form- und Defektverteilungen von Partikelfraktionen, da sie direkten Einfluss auf die Fließfähigkeit des Pulvers während des lagenweisen Auftragens, als auch auf die finale innere Porosität des Bauteils haben. Im Pulver vorhandene Poren verlassen in der Regel das Schmelzbad vor dem Erstarren nicht wieder, da deren Konvektionszeiten größer sind als die Zeit, während der das lokale Schmelzbad besteht, so dass einmal durch die Ausgangspartikel eingebrachte Poren in der Regel auch im fertigen Bauteil verbleiben. Eine strenge Qualitätskontrolle des Ausgangspulvers ist also Voraussetzung, um hochwertige Bauteile mit geringer Restporosität zu erhalten. Der Vorteil der Röntgentomographie ist dabei, dass mit nur sehr geringem Präparationsaufwand innenliegende Poren bis zu einem Durchmesser von wenigen Mikrometern detektiert werden können. Dies ist mit konkurrierenden Verfahren (Licht- / Elektronenmikroskopie, Laserbeugung) so nicht möglich. Zusammenfassend werden wir zeigen, dass die zerstörungsfreie Bildgebung mit der Röntgen-Mikrotomographie für die Qualitätskontrolle in der additiven Fertigung ein leistungsfähiges Werkzeug ist. Wir erörtern die Grenzen der Methode durch eine numerische Studie mithilfe des Simulationsprogramms aRTist. Dabei werden verschiedene Partikelgrößen dahingehend untersucht, welche Poren mit mikroradiographischen Verfahren detektierbar sind. Dazu wird ein Modell für eine dreilagige dichteste Kugelpackung entwickelt, so dass auch Überlagerungen von Anzeigen untersucht werden können. Im Ergebnis werden verschiedene Partikel- und Porengrößenkombinationen untersucht und die entsprechenden Detektionsgrenzen bestimmt.
Neben der klassischen Durchstrahlung wird die bildgebende Röntgen-rückstreuung bisher nur sehr begrenzt eingesetzt. Vor über 20 Jahren hatte Philips mit „COMSCAN“ eine erste industrielle Anwendung in der Luftfahrt gefunden, die sogar eine Tiefenauflösung besaß. Die Firma AS&E in Boston bietet Röntgenrückstreu-Anlagen für den Sicherheitsbereich an. In diesen wird mit einem hochkollimierten Nadelstrahl aus einem rotierenden Blendenrad ein Objekt einseitig abgetastet. Zur Detektion der gestreuten Strahlung aus dem Objekt werden großflächige Detektoren direkt neben dem rotierenden Nadelstrahlkollimator eingesetzt. Ein solcher Prototyp wird an der BAM für den Einsatz in der zerstörungsfreien Prüfung untersucht und optimiert. Als neues industrielles Einsatzgebiet wird dabei die in situ Überwachung in der additiven Fertigung avisiert. Hier ist die Zugänglichkeit zum entstehenden Werkstück in den 3D-Druckanlagen stark eingeschränkt, was den Einsatz einer zweiseitigen Durchstrahlung oder der Computer-Tomographie, bei der das Objekt rotiert wird, verhindert. Auch sind die in der additiven Fertigung eingesetzten Werkstoffe (Polymere, Keramik, Leichtmetalle wie Al oder Ti) für die Rückstreuung besser geeignet als Metalle höherer Dichte, da das Streusignal mit der Ordnungszahl und der Materialdichte abnimmt. Allerdings sind die Anforderungen an räumliche Auflösung und Kontrastempfindlichkeit in der zerstörungsfreien Prüfung additiv gefertigter Bauteil deutlich höher als im Sicherheitsbereich, da hier Bauteilfehler mit typischen Dimensionen kleiner als 1 mm sicher detektiert werden müssen. Die Untersuchung dieser Grenzen des derzeitigen Standes der Röntgenrückstreutechnik mit Nadelstrahl ist ein Teilbereich des mehrjährigen BAM-Themenfeldprojektes „ProMoAM“. Im Vortrag werden die ersten Ergebnisse der Optimierung sowie die gefundenen Anwendungsgrenzen an Beispielen erläutert.