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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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Neues aus der BAM 2019
(2019)
X-ray back scatter imaging is rarely applied compared to classical X-ray projection imaging. More than 20 years ago the company Philips developed “COMSCAN”, a first application case for aircraft industry, which allowed even a depth resolution using back scatter imaging. The company AS&E in Boston offers back scatter imaging solutions for the security market. The principle is to scan the object with a highly collimated X-ray needle beam from one side only and to detect the backscattered radiation by a large area detector side by side with the collimation wheel. A new prototype is investigated at BAM for application and optimization in non-destructive testing. As modern industrial application field in-situ inspection in additive manufacturing is targeted. The accessibility of the printed part during the production process is very limited. This prevent the application of a two sided X-ray inspection or Computed Tomography, were an rotation of the object is required to acquire projections from 360 degrees. An important advantage for the X-ray back scatter technique are also the materials used in additive manufacturing (polymers, ceramics, light metals like Aluminum or Titanium). These materials with lower density and lower Z values give better scatter signals than metals with higher densities and Z values. The back scatter intensity decreases with increasing density and Z value of the material. But the requirements on spatial resolution and contrast sensitivity are more stringent for non-destructive testing of additive manufactured parts compared to the security area. In NDT sizes of indications smaller than 1 mm have to be detected clearly. The investigation of these limits on a state-of-the-art prototype for X-ray back scattering using rotating collimated X-ray needle beams is a part of the BAM project “ProMoAM”. The contribution shows first results of the optimization for NDT and the achieved application limits for several example cases.
Der Ersatz von Röntgenfilmen durch digitale Detektoren in der Zerstörungsfreien Prüfung im Anlagenbau wird seit 2013 durch neue ISO-Normen unterstützt. Nach der Erfolgsgeschichte der digitalen Photographie und der fast voll-ständigen Ablösung der Filmtechnik in der optischen Bilderfassung wird erwartet, dass sich der Übergang von der Filmradiographie zur digitalen Radiographie schnell vollzieht. Dieser Trend ist derzeit so noch nicht zu beobachten. Zur mobilen Prüfung wird in Europa immer noch vorrangig die Filmradiographie und nur teilweise die Computerra-diographie mit Speicherfolien eingesetzt. Im Bereich der stationären Prüftechnik haben sich die Matrixdetektoren (DDA) weitgehend durchgesetzt, wobei es auch hier noch alternative Detektoren wie Bildverstärker und Fluorosko-pe gibt. Mit Einführung der DIN EN ISO 17636-2 zur Schweißnahtprüfung wird seit 2013 erstmalig geregelt, wie man einen digitalen Detektor für die technische Radiographie auswählen soll, um im Vergleich zur Filmradiographie eine äquivalente Bildqualität zu erhalten. Essentielle Parameter bestimmen, ob die geforderte Bildgüte (Fehlernachweiß-empfindlichkeit) erreicht wird. Ein Überblick zeigt, welche Parameter für den praktischen Einsatz wichtig sind und wie sie ermittelt werden. Praktische Einsatzbeispiele im Anlagenbau werden diskutiert.
Die Technologie der hybriden Teilchen (oder Photonen) zählenden Bilddetektoren wurde seit mehr als 2 Jahrzehnten durch Institutionen wie das CERN (MediPix-/ TimePix-Chips) oder das Paul-Scherrer-Institut (Pilatus-/ Eiger-Chips) entwickelt. Die Ursprünge dieser Technologie kommen aus der Hochenergie-Physik mit ihren Beschleuniger-basierten Experimenten, bei denen ein zuverlässiger und rauschfreier Nachweis jedes ionisierten Teilchens gefordert wird. Eine Energieauflösung wird ebenfalls oft verlangr. Das ist auch in der klassischen Radiographie von Nutzen, so wurden diese Detektoren auch dafür optimiert. Neueste Photonen zählenden Detektoren besitzen folgende exzellenten Bildeigenschaften: rauschfreie Photonen-Detektion in einem hohen Dynamikbereich (SNR >2500 erreichbar), hohe räumliche Auflösung (bis zu 10 µm Pixelgröße), Energieschwellen bis zur vollen spektralen Auflösung und eine sehr hohe Geschwindigkeit (bis zu Tausenden Bildern pro Sekunde). Diese hybriden Detektoren können mit hochabsorbierenden Sensorschichten aus CdTe, CZT oder GaAs bestückt werden, um bildgebende Anwendungen mit Gamma- oder harten Röntgenstrahlen zu realisieren, in denen bisher Szintillator basierende Bilddetektoren dominierten (z.B. für NDT, SPECT, PET). Im Beitrag wird der erste wirklich große Photonen zählende Detektor mit CdTe und einer lückenlosen Detektionsfläche, die aus einer theoretisch unbegrenzten Anzahl von MediPix-/ TimePix-Modulen besteht, gezeigt. Die erste kommerzielle Version eines solchen Detektors hat eine Fläche von 7cm x7cm, 1,6 Megapixel und erfüllt die Anforderungen der Prüfklasse „B“ in der industriellen Radiographie. Die Energie auflösenden Fähigkeiten dieses Detektors erlauben eine „Farb-Radiographie“, in der verschiedene Materialien in verschiedene Farben dargestellt werden. Der 2. Teil dieses Beitrags stellt einen voll spektral auflösenden Gamma- und Röntgen-Bilddetektor mit dickem CdTe und 2,4 Megapixel vor, der auf TimePix3-Chips basiert und eine sehr hohe Ortsauflösung von ~10 µm erreicht. Die hohe Zeitauflösung von TimePix3 wird mit großem Nutzen für eine substantielle Verbesserung der erhaltenen Bilder und Spektren zur Unterdrückung interner Fluoreszenzstrahlung sowie Comptonstreuungsanteilen, die die Bildinformation verschmieren, verwendet.
In den letzten zwei Jahren wurden 11 neue Standards/Standardrevisionen zur RT veröffentlicht (ohne Strahlenschutz) und 5 werden dafür gestrichen. Es wird über die neuen Anforderungen ausgewählter Normen bzw. Normrevisionen informiert und insbesondere auch über die veränderten Parameter, die bei Prüfpraxis und bei der Klassifizierung zu berücksichtigen sind. Das wichtigste Projekt ist die Revision der DIN EN ISO 17636-1, -2, RT von Schweißverbindungen, in ISO TC 44 SC 5 WG 1. Die Standards zur Schweißnahtprüfung in der Kerntechnik, DIN 25435, wurden ins Englische übertragen und bei ISO TC 85 SC 6 bearbeitet. Hauptaktivität bei ASTM ist gegenwärtig die Überarbeitung der CT-Standards und die Berücksichtigung der Anforderungen an das dimensionelle Messen. Der Guide ASTM E 1441 zur Bestimmung von MTF, Kontrast-Detail-Funktion (CDF) und Kontrast-Diskrimination-Diagramm (CDD) wird revidiert. E 2445 zur CR Long Term Stability wird ebenfalls revidiert. Die Revision soll auch in die ISO 16371-1 eingehen. Dazu ist ein Round Robin-Test geplant. Auch die Standards zur Durchstrahlungsprüfung auf Korrosion und Ablagerungen in Rohren mit Röntgen- und Gammastrahlen (EN 16407-1, -2, 2014) wurden revidiert. Diese Revision wurde als DIN EN ISO 20769-1, -2 2018 veröffentlicht und EN 16407 wird zurückgezogen. Die Revision der Standards EN 12543 und EN 12679 zur Messung der Brennfleckgröße und der Strahlergröße ist mit Verzögerung in Überarbeitung, um die digitalen Detektoren und Messmöglichkeiten mit Bildverarbeitungsprogrammen zu berücksichtigen. Ein Entwurf zur Messung der Brennfleckgröße von nano-Fokusröhren wird derzeit vom Europäischen Metrologie-Programm EMPIR gefördert. Zur radiographischen Gussteilprüfung wurde der Standard EN 12681 revidiert und 2018 veröffentlicht. Er wurde um Zulässigkeitsgrenzen erweitert und die digitale Radiographie wurde in Teil 2 berücksichtigt.
X-ray back scatter imaging is rarely applied compared to classical X-ray projection imaging. 20 years ago the company Philips developed “COMSCAN”, a first application case in the aircraft industry, which allowed even a depth resolution using back scatter imaging. The company AS&E in Boston offers back scatter imaging solutions for the security market. Their principle is to scan the object with a highly collimated X-ray needle beam from one side only and detect the backscattered radiation by a large area detector side by side with the collimation wheel. A new prototype is investigated at BAM for application and optimization in non-destructive testing. As modern industrial application field in-situ testing in additive manufacturing is targeted. The accessibility of the printed part during the production process is very limited. This prevent the application of a two sided X-ray inspection or Computed Tomography, were an rotation of the object is required to acquire projections from 360 degrees. An important advantage for the X-ray back scatter technique are also the materials used in additive manufacturing (polymers, ceramics, light metals like Aluminum or Titanium). These materials with lower density and lower Z values give better scatter signals than metals with higher densities and Z values. The back scatter intensity decreases with increasing density and Z value of the material. But the requirements on spatial resolution and contrast sensitivity are more stringent for non-destructive testing of additive manufactured parts compared to the security area. In NDT sizes of indications smaller than 1 mm have to be detected clearly. The investigation of these limits on a stateof-the-art prototype for X-ray back scattering using rotating collimated X-ray needle beams is a part of the BAM project “ProMoAM”. The contribution shows first results of the optimization for NDT and the achieved application limits for several example cases.
X-ray back scatter imaging is rarely applied compared to classical X-ray projection imaging. 20 years ago the company Philips developed “COMSCAN”, a first application case in the aircraft industry, which allowed even a depth resolution using back scatter imaging. The company AS&E in Boston offers back scatter imaging solutions for the security market. Their principle is to scan the object with a highly collimated X-ray needle beam from one side only and detect the backscattered radiation by a large area detector side by side with the collimation wheel. A new prototype is investigated at BAM for application and optimization in non-destructive testing. As modern industrial application field in-situ testing in additive manufacturing is targeted. The accessibility of the printed part during the production process is very limited. This prevent the application of a two sided X-ray inspection or Computed Tomography, were an rotation of the object is required to acquire projections from 360 degrees. An important advantage for the X-ray back scatter technique are also the materials used in additive manufacturing (polymers, ceramics, light metals like Aluminum or Titanium). These materials with lower density and lower Z values give better scatter signals than metals with higher densities and Z values. The back scatter intensity decreases with increasing density and Z value of the material. But the requirements on spatial resolution and contrast sensitivity are more stringent for non-destructive testing of additive manufactured parts compared to the security area. In NDT sizes of indications smaller than 1 mm have to be detected clearly. The investigation of these limits on a stateof-the-art prototype for X-ray back scattering using rotating collimated X-ray needle beams is a part of the BAM project “ProMoAM”. The contribution shows first results of the optimization for NDT and the achieved application limits for several example cases.
The revision of ISO 24497:2007 started in 2017 (by decision of Com-V at the IIW annual assembly in Shanghai). After 3 years of discussions and incorporation of many comments from all over the world the working group C-V-E-b headed by Uwe Zscherpel finalized the work with a final draft to be forwarded for final vote at ISO TC 44. The working group C-V-E-b finalised the work and can be resolved. The chair thanks for all the successfully work done, the vote to forward the latest draft to ISO for final vote was done without any negative.
The transition from X-ray film to digital detectors in radiography is accompanied by an increase of unsharpness due to the larger inherent digital detector unsharpness in comparison to film. The basic spatial resolution of digital detectors (see EN ISO 17636-2) is used today to describe this unsharpness. The geometrical unsharpness of the radiographic projection of object structures onto the detector plane is determined by the focal spot size of the X-ray tube and the magnification. The focal spot size is measured today (see ASTM E 1165) from pin hole camera exposures or edge unsharpness (see ASTM E 2903). The final image unsharpness is a result of a convolution of the geometrical and inherent detector unsharpness function, divided by the magnification factor of the object onto the detector plane. Different approximations of this convolution result in ASTM E 1000 and ISO 17636-2 in different optimum values for the magnification factor for a given focal spot size of a X—ray tube and the basic spatial resolution of the detector. The higher contrast sensitivity, an advantage of digital radiography, compared to film radiography is furthermore improved when using higher X-ray voltages as used with film and smaller focal spots of the X-ray tubes. This allows a higher distance between object and detector resulting in reduced object scatter in the image. The interactions between all these parameters will be discussed and simple rules for practitioners will be derived in this contribution.
Laser powder-based directed energy deposition (DED-L) is a technology that offers the possibility for 3D material deposition over hundreds of layers and has thus the potential for application in additive manufacturing (AM). However, to achieve broad industrial application as AM technology, more data and knowledge about the fabricated materials regarding the achieved properties and their relationship to the manufacturing process and the resulting microstructure is still needed. In this work, we present data regarding the low-cycle fatigue (LCF) behavior of Ti-6Al-4V. The material was fabricated using an optimized DED-L process. It features a low defect population and excellent tensile properties. To assess its LCF behavior two conventionally manufactured variants of the same alloy featuring different microstructures were additionally tested. The strain-controlled LCF tests were carried out in fully reversed mode with 0.3 % to 1.0 % axial strain amplitude from room temperature up to 400°C. The LCF behavior and failure mechanisms are described. For characterization, optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), and micro-computed tomography (µCT) were used. The low defect population allows for a better understanding of the intrinsic material’s properties and enables a fairer comparison against the conventional variants. The fatigue lifetimes of the DED-L material are nearly independent of the test temperature. At elevated test temperatures, they are similar or higher than the lifetimes of the conventional counterparts. At room temperature, they are only surpassed by the lifetimes of one of them. The principal failure mechanism involves multiple crack initiation sites.
Eine kritische Aufgabe im Rahmen der Etablierung von Prozess-Struktur-Eigenschafts-Performance-Beziehungen bei der additiven Fertigung (AM) von Metallen ist die Ermittlung von zuverlässigen und gut dokumentierten Kennwerten zum Materialverhalten sowie das Schaffen von Wissen über die Struktur-Eigenschafts-Korrelation. Schließlich ist dies die Grundlage für die Entwicklung gezielterer Prozessoptimierungen und zuverlässigerer Lebensdauer-Vorhersagen. In diesem Zusammenhang zielt dieser Beitrag darauf ab, Daten und Erkenntnisse über das Kriechverhalten des austenitischen Edelstahls 316L zu liefern, der mittels Laser-Powder-Bed-Fusion (L-PBF) hergestellt wird. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Proben aus konventionellem warmgewalztem sowie AM-Material gemäß den bestehenden Normen für konventionelles Material geprüft und vor und nach dem Versagen mikrostrukturell charakterisiert. Die Probekörper wurden aus einzelnen Blöcken des AM-Materials gefertigt. Die Blöcke wurden mit einer Standard-Scan- und Aufbaustrategie hergestellt und anschließend wärmebehandelt. Das Kriechverhalten wird anhand der Kriechlebensdauer und ausgewählter Kriechkurven und Kennwerte beschrieben und vergleichend bewertet. Der Einfluss von Defekten und Mikrostruktur auf das Materialverhalten wird anhand von zerstörenden und zerstörungsfreien Auswertungen an ausgewählten Proben analysiert. Der AM-Werkstoff zeigt kürzere Kriechlebensdauern, erreicht das sekundäre Kriechstadium deutlich schneller und bei geringerer Dehnung und weist eine geringere Kriechduktilität im Vergleich zu seinem konventionellen Gegenstück auf. Das Kriechschädigungsverhalten des AM-Werkstoffs ist eher mikrostruktur- als defektgesteuert und ist durch die Bildung intergranularer Kriechrisse gekennzeichnet. Als kritische Merkmale werden die Versetzungsdichte sowie die Versprödung der Korngrenzen identifiziert. Die Mikro-Computertomographie (µCT) erweist sich als Alternative zur Metallographie, um die Kriechschädigung zu analysieren.
Due to the advantages of Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB), i.e., design freedom and the possibility to manufacture parts with filigree structures, and the considerable amount of knowledge available for 316L in its conventional variant, the mechanical behavior, and related microstructure-property relationships of PBF-LB/316L are increasingly subject of research. However, many aspects regarding the - application-relevant - mechanical behavior at high temperatures are not yet fully understood. Here, we present the results of an experimental study on the LCF behavior of PBF-LB/316L featuring a low defect population, which makes this study more microstructure-focused than most of the studies in the literature. The LCF tests were performed between room temperature (RT) and 600 °C. The mechanical response is characterized by strain-life curves, and hysteresis and cyclic deformation curves. The damage and deformation mechanisms are studied with X-ray computed tomography, and optical and electron microscopy. The PBF-LB/M/316L was heat treated at 450 °C for 4 h, and a hot‑rolled (HR) 316L variant with a fully recrystallized equiaxed microstructure was tested as a reference. Besides, selected investigations were performed after a subsequent heat treatment at 900 °C for 1 h. The PBF-LB/316L exhibits higher cyclic stresses than HR/316L for most of the fatigue life, especially at room temperature. At the smallest strain amplitudes, the fatigue lives of PBF-LB/M/316L are markedly shorter than in HR/316L. The main damage mechanisms are multiple cracking at slip bands (RT) and intergranular cracking (600 °C). Neither the melt pool boundaries nor the gas porosity have a significant influence on the LCF damage mechanism. The cyclic stress-strain deformation behavior of PBF-LB/M/316L features an initial hardening followed by a continuous softening. The additional heat treatment at 900 °C for 1 h led to decreased cyclic stresses, and a longer fatigue life.
Creep and fracture behavior of conventionally and additively manufactured stainless steel 316L
(2020)
A critical task within the frame of establishing process-structure-property-performance relationships in additive manufacturing (AM) of metals is producing reliable and well-documented material behavior’s data and knowledge regarding the structure-property correlation, including the role of defects. After all, it represents the basis for developing more targeted process optimizations and more reliable predictions of performance in the future. Within this context, this contribution aims to close the actual gap of limited historical data and knowledge concerning the creep behavior of the widely used austenitic stainless steel 316L, manufactured by Laser-Powder-Bed-Fusion (L-PBF). To address this objective, specimens from conventional hot-rolled and AM material were tested under application-relevant conditions according to existing standards for conventional material, and microstructurally characterized before and after failure. The test specimens were machined from single blocks from the AM material. The blocks were manufactured using a standard scan and build-up strategy and were subsequently heat-treated. The creep behavior is described and comparatively assessed based on the creep lifetime and selected creep curves and characteristic values. The effect of defects and microstructure on the material’s behavior is analyzed based on destructive and non-destructive evaluations on selected specimens. The AM material shows shorter creep lives, reaches the secondary creep stage much faster and at a lower strain, and features lower creep ductility compared to its conventional counterpart. The creep damage behavior of the AM material is more microstructure than defect controlled and is characterized by the formation and accumulation of single intergranular damage along the whole volume. Critical features identified are the grain morphology and the grain-boundary as well as the dislocation’s density. Micro-computed tomography (µCT) proves to be an alternative to metallography to analyze the creep damage.