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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.
Eine online Live-Vorführung des DCC Demonstrators zur automatisierten Erstellung und Auswertung eines maschinenlesbaren digitalen Kalibrierscheins zur metrologischen Rückführung eines Pt 100 Temperaturfühlers.
Workflow: DCC Vorlage für Kalibrierungen nach DKD-R 5-1; DCC Middleware zur Aufnahme der auftragsbezogenen Metadaten und Einfügen aller Daten, inkl. der Messdaten, in die DCC Vorlage; Validierung des befüllten DCCs gegen das DCC-Schema; Siegelung des DCCs mit dem digitalen Akkreditierungssymbol; Übertragung an den DCC-Nutzer; nutzerseitige Verifizierung des elektronischen Siegels zur Sicherstellung von Authentizität, Integrität und Akkreditierung; direktes auslesen der Sensordaten mit Messunsicherheit basierend auf Herstellerspezifikationen; Einlesen und Auswerten des DCCs auf Knopfdruck, damit automatisierte Erstellung einer Kalibrierfunktion und entsprechende Korrektur der Sensordaten, automatisches Auslesen der temperaturabhängigen Messunsicherheit und Erweiterung um relevante Beiträge zum Erreichen der metrologischen Rückführbarkeit der Temperaturmessung; qualitätsgesicherte Konformitätsaussage des Prozesses auf Basis der so korrigierten Temperaturmesswerte und deren Unsicherheiten.
In diesem Beitrag soll die Etablierung von digitalen Kalibrierscheinen als maschineninterpretierbare Ergebnisberichte in akkreditierten Kalibrierlaboren, am Beispiel der Kalibrierung von Widerstandsthermometern nach DKD-R 5-1 aufgezeigt werden. Der DCC-Entwurf basiert auf dem von der PTB entwickelten DCC-Schema für XML-Formate. Vorrangig sollen folgende Aspekte bei der Umsetzung in akkreditierten Kalibrierlaboren beleuchtet werden: Angepasste digitale Workflows und Prozessdarstellungen; Harmonisierung von DCCs nach DKD-R 5-1; Entwicklung der IT-Infrastruktur (Middleware) zur automatisierten Generierung von DCCs; Erfahrungen aus der Pilotierung der DAkkS-eAttestation zum digitalen Nachweis der Akkreditierung; Praktische Umsetzung im Rahmen von QI-Digital.
Dieses Qualitätswerkzeug soll im Gesamtkonzept von QI-Digital zum UseCase Wasserstofftankstelle kurz vorgestellt werden.
Digital twin for hydrogen refueling stations: An analytical study for safe and efficient operations
(2023)
This analytical overview is the initial study in developing the digital sensors twin for the hydrogen refueling station. The research includes a comprehensive analysis of the current literature, refueling protocol, standards, mathematical model, simulation model, and trends in digital twins and H2 technologies. Furthermore, this study has explored the various HRS attributes, such as leakage, temperature, pressure, and hydrogen flow, and identified different use cases of the hydrogen fuel station to build a digital sensor twin. Various real gas equations, such as the Van der Waals and Able-Noble equation of state (EOS), are applied to analyze the key factors and parameters affecting hydrogen and the MATLAB simulation model to validate the key elements and parameters. This study also focuses on identifying and addressing research gaps in hydrogen technology, contributing to advancing hydrogen infrastructure, and supporting the global transition to cleaner energy solutions.
The BAMline at the synchrotron X-ray source BESSY II (Berlin, Germany) is supporting researchers especially in materials science. As a non-destructive characterization method, synchrotron X-ray imaging, especially tomography with hard X-Rays, plays an important role in structural 3D characterization. The imaging capabilities allow for in-situ and operando experiments. In this presentation the data handling pipeline is presented.
The BAMline at the synchrotron X-ray source BESSY II (Berlin, Germany) is supporting researchers especially in materials science. As a non-destructive characterization method, synchrotron X-ray imaging, especially tomography with hard X-Rays, plays an important role in structural 3D characterization. The imaging capabilities allow for in-situ and operando experiments. In this presentation the equipment, data handling pipeline as well as various examples from material science are presented.
Mikrolegierungselemente, wie Nb und Ti, sind für die signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa unerlässlich. Normvorgaben zur chemischen Zu-sammensetzung geben dabei nur obere Grenzwerte für die Hersteller vor. Weiterhin wirken sich bereits kleine Abweichungen in der Legierungsroute teilweise drastisch auf die mechanischen Eigenschaften aus. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Schweißeignung und der Integrität der Schweißverbindung aufgrund der variierenden Mikrogefüge erschwert bis unmöglich.
Die Nb-mikrolegierte Güte weist im Vergleich zur Ti-mikrolegierten Güte eine bessere Anlassbeständigkeit auf. Eine divergente Phasenverteilung in den äußeren Zonen der WEZ der Fülllagen erklärt die unterschiedliche Härteverteilung in der WEZ der drei untersuchten Legierungen und die markanten Unterschiede der Kerbschlagzähigkeit. Die quasistatischen Querzugversuche mittels DIC zeigten ein divergentes lokales Dehnungsverhalten auf. Die Ti-mikrolegierte Stahlsorte zeigt ein signifikanten lokales Dehnungsverhalten in der WEZ, wobei hier sich aufgrund der hohen metallurgischen Kerbwirkung Makrostützeffekte während des plastischen Fließens in der WEZ auftreten.
A safety or security related assessment of explosions, accidental and intentional scenarios alike, often necessitate performance of replication-tests. Such test results are necessary to clarify the causes within the scope of forensic investigations. To gain important insights into the behavior of structures and materials under such loading, field tests may also be performed in accordance with different test standards. To determine the resistance of building-structures after explosions, estimation of the residual load-bearing capacity in addition to the assessment of dynamic structural response and damage to the building components is important. In most cases an evaluation of structural integrity is based only on the visual damage, resulting in an overestimation of the residual capacity.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) operates the Test site for Technical Safety (TTS) on an area measuring about 12 km2 in the Federal State of Brandenburg for execution of true-to-scale explosion tests. At the TTS, building component testing was performed to assess the suitability of different non-destructive testing methods to characterize the dynamic structural response and damage resulting from the detonation of high explosives.
Different blast-loading scenarios were realized by varying the net explosive mass and the standoff distance with all scenarios representing a near-field detonation. The test object was a reinforced concrete wall 2 m high, 2.5 m wide and 20 cm thick, fixed at both vertical edges. The dynamic loading of the wall was characterized with 8 piezoelectric pressure sensors flush-mounted on the front surface, thus measuring the reflected pressures from the shock wave. The tests were conducted with the aim of characterizing the global behavior of the wall under dynamic shock loading and the resulting local damage pattern, respectively. High speed digital image correlation was implemented in combination with multiple acceleration sensors to observe the rear surface of the wall to chart the dynamic deflection during the loading and to determine the residual deformation after the loading had ceased. In addition, one test specimen was instrumented with fiber optic sensor cables, both fixed to the rebars and embedded in the concrete-matrix, respectively. Firstly, these sensors were interrogated during the blast test by a distributed acoustic sensing (DAS) device using a particularly high sampling rate to measure the shock-induced vibrations in the structure with high temporal resolution. This delivers information on dynamics of compression and tension cycles from within the structure. Secondly, the local damage-pattern emerging during the series of blasts was determined via distributed fiber optic strain sensing (DSS) by interrogating the embedded fiber optic sensors with a high spatial resolution DSS device after each blast. This enabled the characterization of non-visual damage to the structure, in particular with regard to the formation of localized cracks in the concrete matrix. The DSS was further complimented by a structure-scanner based on ultrasonic measurements.
Our contribution describes this new test approach in detail. Results of the three datasets, namely dynamic shock loading, global behavior of the test object and the local damage pattern will be presented. The suitability of the implemented measurement methods will be discussed in combination with the challenges in their application for technical safety evaluation of building components under explosive loading.
The project series CTSimU was initiated with the goal to develop a set of procedures to enable the determination of the task-specific measurement uncertainty of a CT system numerically by radiographic simulation. The first project (2019-2022) “Radiographic Computed Tomography Simulation for Measurement Uncertainty Evaluation - CTSimU” was focused on the sufficient physical correctness of the radiographic simulation and created as a result a test framework for simulation softwares and a draft of a VDI standard in the series VDI/VDE 2630 for this application. However, for the realistic simulation of a CT system in a simulation software (i.e. a digital twin), not only the correctness of the simulation software itself is crucial, but also the quality of the parameterization of the CT system in the simulation software - this represents the starting point of the 2nd project “Realistic Simulation of real CT systems with a basic-qualified Simulation Software - CTSimU2” (2022-2024).
The parameterization of a CT system in a simulation software can be divided into four steps: after the data acquisition at the real CT system (step 1) follows the evaluation of the acquired data for the generation of general parameter specifications (step 2). It follows the transfer of the parameters into the specific simulation software (step 3) and the validation of the resulting simulation parameters by a suitable test (step 4). The intended result of the project CTSimU2 is a draft VDI standard (for VDI/VDE 2630) for this test, which contains an informative annex on the state of the art regarding the possibilities for parameter determination.
Die Entwicklung von Werkzeugen zur realitätsnahen Nachbildung eines industriellen CT-Systems in einer Simulationssoftware ist derzeit Hauptaufgabe des WIPANO Forschungsprojektes CTSimU2 Realistische Simulation realer Röntgencomputertomografie - Systeme mit basisqualifizierter Simulationssoftware. Als Voraussetzung dienen dabei Simulationssoftwares, die durch das Testframework aus dem Vorprojekt CTSimU1 basisqualifiziert wurden. Das Testframework testet die hinreichende physikalische Korrektheit und Funktionalität einer Simulationssoftware (Basisqualifizierung der Software). Für eine realitätsnahe Nachbildung ist nicht nur die Güte der Simulationssoftware, sondern insbesondere die Güte der Parametrisierung des realen CT-Systems in der Simulationssoftware ausschlaggebend. Dabei kann das Vorgehen der Parametrisierung in vier Schritte unterteilt werden: die Datenaufnahme am realen CT-System (Schritt 1), die Auswertung der aufgenommenen Daten für die Generierung allgemeiner Parameterangaben (Schritt 2), die Übertragung der Parameter in die spezifischen Simulationssoftwares (Schritt 3) und die Validierung der resultierenden Simulationsparameter durch einen geeigneten Test (Schritt 4). Ziel des Projektes ist es daher neben der Erarbeitung eines Werkzeugkastens mit allgemeinen Methoden zur Datenaufnahme und Auswertung der Daten, die Entwicklung eines Tests, auf dessen Basis die ausreichend korrekte Simulation einer realen Anlage beurteilt werden kann. Die erarbeiteten Ergebnisse sollen wie bereits im Vorprojekt CTSimU1 in einen Richtlinienentwurf für die Richtlinienreihe VDI/VDE 2630 übertragen werden. Dieser Beitrag soll einen Überblick über das Projekt und die ersten Ergebnisse geben.
Offshore-Windenergieanlagen erfordern Gründungskonzepte aus unterpulver-(UP-)geschweißten Dickblechen (bspw. der Güte S420ML). Während der Schweißfertigung kann eine zeitverzögerte wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung auftreten, deren Bewertung aufgrund der Bauteilgröße von Offshore-Strukturen sehr komplex ist. Deswegen wurde eine bauteilähnliche Geometrie (Mock-Up) entwickelt, um reale Steifigkeitsverhältnisse auf den Labormaßstab zu übertragen. Zusätzliche Versteifungen simulieren die Wirkung einer Einspannung bzw. Schrumpfbehinderung der Schweißnaht. Über die Verwendung von Schweißpulvern mit definierter Feuchte wurden zudem ein Extremszenario der Wasserstoffaufnahme simuliert. Entsprechend der vorgegebenen Mindestwartezeit für die ZfP von bis zu 48 h wurde die Schweißnaht zerstörungsfrei mit Phased-Array-Ultraschall-Prüfung (PAUT) geprüft und die Eigenspannungen über Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Zusätzlich wurde die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung numerisch simuliert. Außer zulässigen Defekten (wie Poren), wurde keine verzögerte Kaltrissbildung in den Mock-Ups festgestellt, was auf hohe Rissbeständigkeit hindeutet.
The application of composite overwrapped pressure vessels (COPV) to store hydrogen and other compressed gases, especially when operating at high pressures, imposed the need for an innovative and reliable approach to ensure the safe operation of the system. Continuous structural health monitoring (SHM) based on ultrasonic guided waves (GWs) is a promising approach due to the ability of the wave to propagate for long distances and go around complex structures, moreover the high sensitivity to various failure modes such as delamination, matrix cracking and debonding. In this study, we scrutinize the behavior of (GWs) within the COPV using a network of PZT elements that are used for excitation and sensing. A laser doppler vibrometer (LDV) was also used to scan the surface of the vessel in various directions. L(0,1) and L(0,2) were observed in the captured signal. The L(0,2) appeared to be a dominant mode in the COPV and was capable of propagating along the entire length and maintaining a good signal-to-noise ratio. The L(0,2) mode maintained the same phase velocity when it is captured at various excitation angles (0, 45, and 90 degrees). The reduced effect of the orthotropy of the materials on the propagating waves is an important result as it will reduce the complexity in data processing when performing damage identification.
Structural alloys are largely employed in key industrial sectors and their demand is predicted to rise rapidly for the next decades. Most of these materials require a large amount of energy for extraction and manufacturing, which causes the emission of greenhouse gases and other pollutants. Therefore, strategies for improving the sustainability of structural metallic alloys are urgently needed.
Additive Manufacturing (AM), in particular Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M), aims to be a sustainable manufacturing process, as it allows the build-up of complex geometry in near net-shape from 3D models, while minimizing material waste and the energy required for the process and post-process treatments.
Nevertheless, the application of additively manufactured parts in structural safety-relevant applications is still hindered by the poor fatigue performance. The cause of this has been mainly attributed to the presence of manufacturing defects and surface roughness. Therefore, a huge effort has been made to optimize the process parameters and to introduce post-process treatments to minimize the defect content. However, material flaws cannot be fully eliminated, but these can be considered in a damage tolerance framework for the prediction of the fatigue performance of additively manufactured metallic materials, which is essential for part design and qualification.
This work aims at presenting different modelling strategies for the prediction of the fatigue limit of AM metals. Simple empirical models and more complex models based on fatigue short crack propagation are proposed. The investigated material is an AlSi10Mg alloy fabricated by PBF-LB/M and subjected to two different low-temperature heat-treatments (265°C for 1 h and 300°C for 2h). The results show that the models can provide good approximation of the fatigue limits and help in the interpretation of the scatter of fatigue data.
Asphalt is one of the most common materials used in road construction. It is subject to both chemical and structural aging processes during use. At least to our knowledge, it is not currently known whether these aging processes also lead to a measurable change in the thermal properties of asphalt. If so, these changes could be exploited for non-destructive testing of the aging condition in situ. Photothermal analysis of a component surface involves looking at the time course of the surface temperature during and after pulse-like heating with an expanded laser beam. In the case of concrete surfaces, this method works well under laboratory conditions. It allowed the determination of the thermal effusivity. Now it should be investigated whether the photothermal signal allows conclusions to be made regarding the aging state of the asphalt. Within the scope of this paper, 2 asphalt specimens were investigated: a closed asphalt with 3% void content (SMA 11S) and an open-pore asphalt with 25% void content (PA 8). Both samples were artificially degraded according to a standardized procedure, leaving a portion of the surface unaffected. Subsections from both areas were then separated for photothermal testing. It was found, that the photothermal method is apparently not sensitive enough to detect aging on asphalt in general. However, it is noteworthy that both asphalt types heat up significantly faster than would be expected from the theory of heat conduction, which might be explained by the specific microstructure.
The overview of the activity of Federal Institute for Material Research and Testing (BAM, Belin, Germany) in the field of additively manufacturing material characterization will be presented. The research of our group is focused on the 3D imaging of AM materials by means of X-ray Computed Tomography at the lab and at synchrotron, and the residual stress characterization by diffraction (nondestructive technique). Also, two successful research project in collaboration with CAM2, Sweden are presented.
Detaillierte Kenntnisse der elastischen Materialeigenschaften sind in vielen ingenieurtechnischen Bereichen von grundlegender Bedeutung. Insbesondere für die Anwendung von Predictive Maintenance und Structural- Health-Monitoring Methoden mit Ultraschall ist die genaue Kenntnis der elastischen Materialkonstanten eine Grundvoraussetzung. Die von den Herstellern zur Verfügung gestellten Angaben zu den elastischen Materialkonstanten, insbesondere für Polymere und faserverstärkte Kunststoffe, sind jedoch oft unzureichend, da diese vom Produktionsprozess abhängig sind und sich zusätzlich aufgrund von Materialabbauprozessen oder Ermüdung ändern können. In der Praxis liegen polymere Werkstoffe, faserverstärkte Kunststoffe und Metalle oft als dünne, plattenförmige Strukturen vor, in welchen sich geführte Ultraschallwellen (UGWs) ausbreiten können. In der aktuellen Forschung sind bereits verschiedene Neuronale Modelle zur Bestimmung der elastischen Konstanten und der Materialcharakterisierung mittels UGWs bekannt. Ein einfaches neuronales Netz, mit aus Dispersionsbildern extrahierten Werten für Frequenz und Wellenzahl ausbeutungsfähiger Moden als Eingabe, zur Vorhersage der elastischen Konstanten wird in verwendet. Ein rekurrentes Neuronales Netz mit einem Zeit-Frequenz Vektor als Eingabe wird in angewandt, während in ein 1D- Convolutional-Neuronal-Networks (CNN) unter Verwendung der zeitlichen Auslenkung der Grundmoden und in ein 2D-CNN unter Verwendung einer polaren Gruppengeschwindigkeitsdarstellung zur Bestimmung der elastischen Konstanten verwendet wird. In diesem Vortrag wird ein Ansatz zur Bestimmung der isotropen elastischen Konstanten von dünnen Platten auf der Grundlage von UGWs unter Verwendung von Dispersionsbildern und 2D-CNNs vorgestellt. Dispersionsabbildungen aus numerischen Simulationen werden mithilfe verschiedener Methoden vorverarbeitet, um realistische Messdaten zu simulieren. Mit den modifizierten Daten wird das Modell trainiert und die Architektur optimiert. Anschließend wird die Genauigkeit des erzeugten Modells mit realen Messdaten validiert. Es wird gezeigt, dass 2D-CNNs in der Lage sind, die isotropen elastischen Konstanten anhand multimodaler Merkmale aus Dispersionsbildern vorherzusagen, ohne dass eine anfängliche Schätzung der Parameter oder manuelle Merkmalsextraktion erforderlich ist.
Gas source localization (GSL) helps mitigate the impact of industrial accidents and natural disasters. While GSL may be dangerous and time-consuming when performed by humans, swarms of agile and inexpensive nano aerial robots may increase the safety and efficiency of gas source localizations. Since the small payloads of nano aerial robots limit the sensing and computing resources, strategies adapted from biological swarms, such as colonies of social insects, are used to coordinate robot
swarms. Most swarm GSL strategies are based on the assumption that the maxima of gas concentrations are sufficiently close to the gas sources. However, prior studies have indicated that the occurrence of “bouts”, a metric for the intermittency of gas distributions, may advantageously be used as a more accurate gas source proximity indicator. This paper presents a swarm GSL strategy employing bouts as source proximity indicators and a bio-inspired pheromone system for communication. Nano aerial robots, deployed in this study, act as agents and emit
pheromone markers in an artificial environment upon detecting bouts. Leveraging the concept of artificial potential fields, the agents switch between exploiting the knowledge of the swarm by following pheromone gradients and exploring the search space by targeting a random point. The agents are repelled by each other and by walls to avoid collisions. The swarm GSL strategy is implemented into three nano aerial robots and validated in a real-world experiment in an indoor environment with a single gas source. The results indicate that the the swarm GSL strategy
presented in this paper is capable of GSL in indoor environments and that the intermittency of gas distributions is a better source proximity indicator than the mean concentration.
BAM (Federal Institute for Materials Research and Testing) is developing an electronic measurement system to be placed inside a waste drum, which will be filled with concrete. The goal of this measurement system is to monitor the process of hardening and the evolution of the concrete itself over time to indirectly identify potential defects such as corrosion or cracking. The measured parameters are humidity, temperature, and pressure. In this regard, particular attention was given to the design of the electronic board’s enclosure, to allow the sensors to measure the state of the concrete without being in direct contact with it. In the scope of the European Commission’s project of PREDIS, the supply of power to the battery-less sensors and the data acquired by such sensors are transmitted through the metallic waste drum by an innovative wireless technology developed by VTT (Technical Research Centre of Finland) in order to ensure long-term operation while keeping the integrity of the sealed container.