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Learned block iterative shrinkage thresholding algorithm for photothermal super resolution imaging
(2020)
Block-sparse regularization is already well-known in active thermal imaging and is used for multiple measurement based inverse problems. The main bottleneck of this method is the choice of regularization parameters which differs for each experiment. To avoid time-consuming manually selected regularization parameters, we propose a learned block-sparse optimization approach using an iterative algorithm unfolded into a deep neural network. More precisely, we show the benefits of using a learned block iterative shrinkage thresholding algorithm that is able to learn the choice of regularization parameters. In addition, this algorithm enables the determination of a suitable weight matrix to solve the underlying inverse problem. Therefore, in this paper we present the algorithm and compare it with state of the art block iterative shrinkage thresholding using synthetically generated test data and experimental test data from active thermography for defect reconstruction. Our results show that the use of the learned block-sparse optimization approach provides smaller normalized mean square errors for a small fixed number of iterations than without learning. Thus, this new approach allows to improve the convergence speed and only needs a few iterations to generate accurate defect reconstruction in photothermal super resolution imaging.
In this work we focus on our most recent studies to super resolution (SR) laser thermography. The goal of SR nondestructive testing methods is to facilitate the separation of closely spaced defects. We explain how to combine laser scanning with SR techniques. It can be shown that stepwise as well as continuous scanning techniques are applicable. Finally, we discuss the effect of experimental parameters and im-age processing techniques to find the optimal SR technique which leads to the highest reconstruction quality within laser thermography.
Laser excited super resolution thermal imaging for nondestructive inspection of internal defects
(2020)
A photothermal super resolution technique is proposed for an improved inspection of internal defects. To evaluate the potential of the laser-based thermographic technique, an additively manufactured stainless steel specimen with closely spaced internal cavities is used. Four different experimental configurations in transmission, reflection, stepwise and continuous scanning are investigated. The applied image post-processing method is based on compressed sensing and makes use of the block sparsity from multiple measurement events. This concerted approach of experimental measurement strategy and numerical optimization enables the resolution of internal defects and outperforms conventional thermographic inspection techniques.
Thermography is one on the most promising techniques for in-situ monitoring for metal additive manufacturing processes. The high process dynamics and the strong focus of the laser beam cause a very complex thermal history within the produced specimens, such as multiple heating cycles within single layer expositions. This complicates data interpretation, e.g., in terms of cooling rates. A quantity that is easily calculated is the time a specific area of the specimen is at a temperature above a chosen threshold value (TOT). Here, we discuss variations occurring in time-over-threshold-maps during manufacturing of a defect free cuboid specimen.
In-situ Prozessüberwachung in der additiven Fertigung von Metallen mittels optischer Verfahren
(2020)
Einer der aussichtsreichsten Ansätze, die Qualität und Sicherheit der gefertigten Teile in der metallbasierten additiven Fertigung (AM) zu erhöhen und die Notwendigkeit aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen (ZfP) nach der Fertigung zu verringern, liegt in dem Einsatz von in-situ Prozessüberwachungstechniken. Bereits jetzt werden erste Messsysteme zur Kontrolle der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie kommerziell angeboten. Weitere ZfP Verfahren, wie z.B. die aktive und passive Thermografie, werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung angesehen, allerdings gibt es noch wenig konkrete praktische Umsetzungen, da die Möglichkeiten und individuellen Grenzen dieser Methoden, angewendet auf AM, noch nicht ausreichend erforscht sind. Aus diesem Grund verfolgt die BAM mit dem Projekt „Process Monitoring of AM“ (ProMoAM) im Themenfeld Material das Ziel, Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Metallbauteile weiterzuentwickeln.
Im Beitrag wird zunächst das Projekt vorgestellt und anschließend der Fokus auf eine Messserie gelegt, in der Probekörper aus dem austenitischen Edelstahl 316L mit lokal variierenden Prozessparametern mittels selektiven Laserschmelzen (L-PBF) aufgebaut wurden. Der Bauprozess wurde hierbei durch das maschineneigene, koaxial arbeitende Photodiodensystem (Melt-Pool-Monitoring), einer Mittelwellen-Infrarotkamera und einer optischen Tomografiekamera im sichtbaren Wellenlängenbereich (Langzeitbelichtung für die Dauer eines Lagenaufbaus mit einer CMOS-Kamera mit hoher Ortsauflösung) simultan überwacht. Als Referenz für diese Methoden wurden die Probekörper mittels Computertomografie untersucht. Für die dabei anfallenden teils großen Datenmengen wurden Algorithmen für ein effizientes Preprocessing entwickelt. Es wurden Merkmale der Messdaten in Korrelation zu Fehlern und Inhomogenitäten extrahiert, welche für die einzelnen Methoden vergleichend vorgestellt und diskutiert werden.
Thermography is one on the most promising techniques for in-situ monitoring of metal additive manufacturing processes. Especially in laser powder bed fusion processes, the high process dynamics and the strong focus of the laser beam cause a very complex thermal history within the produced specimens, such as multiple heating cycles within single layer expositions. This complicates data interpretation, e.g., in terms of cooling rates. A quantity that is easily calculated is the time a specific area of the specimen is at a temperature above a chosen threshold value (TOT). Here, we discuss variations occurring in time-over-threshold-maps during manufacturing of an almost defect free cuboid specimen.
Um die Versagensabläufe über die verschiedenen Skalen im Holzwerkstoff verfolgen zu können, werden Zugversuche an Lagenhölzern mittels Schallemissionsmessung überwacht. Synchron erfolgen In-situ-Messungen mit Digitaler Bildkorrelation bzw. Synchrotron-Mikro-Computertomographie. Die Kombination aller Ergebnisse wie auch die Anwendung der frequenzbasierten Mustererkennung und die Simulation ausgewählter Versuche zielen auf die Identifizierung zugrunde liegender Mechanismen hin. Abschließend werden Ansätze für ein Monitoring von Holzstrukturen diskutiert.
Der Frequenzbereich der Terahertzwellen liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und dem infraroten Licht – also etwa im Bereich von 0,1 bis 10 Terahertz (THz). Der VDI-Statusreport „Terahertzsysteme und Anwendungen“ stellt die unterschiedlichen Konzepte für Terahertzsysteme vor und zeigt Anwendungsbeispiele, bei denen die Terahertztechnik erfolgreich eingesetzt wird. Umfangreiche Literaturangaben ermöglichen eine intensivere Beschäftigung mit allen Themen des VDI-Statusreports.
Diese Richtlinie definiert Kenngrößen und Messverfahren, um Terahertzsysteme für die Zeitbereichsspektroskopie (TDS)zu spezifizieren. So können Hersteller ihre Systeme übereinstimmend beschreiben und Anwender einfach Systeme vergleichen. Systeme für die Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie sind aktive Systeme und nutzen verschiedene Techniken sowohl zur Erzeugung als auch zur zeitaufgelösten Messung von breitbandigen Terahertzimpulsen. Die dazugehörigen Terahertzspektren und -Phasen werden nach einer zeitlichen Abtastung über eine Fourier-Transformation berechnet. In dieser Richtlinie wird ein Überblick über die Funktionsweisen von Zeitbereichsspektrometern gegeben, die eingesetzten Messverfahren näher erläutert sowie die benötigten Begriffe und Kenngrößen definiert. Die Richtlinie konzentriert sich dabei auf Systeme, die auf sogenannten Abtastmessverfahren (Sampling-Messverfahren) basieren.
THz and mid IR spectroscopy of high-molecular PE (HMW) and ultra high-molecular PE (UHMW) reveals modifications of the molecular structure. Characteristic absorption bands are changed if the two materials are exposed by γ-Co60 radiation up to 600 kGy and subsequently stored at an annealing temperature of 398 K until for 729 days. UHMW-PE and HMW-PE behave differently during the ageing process because of their molecular weight and inherent structure distinctions. The spectroscopic data offer characteristic absorption bands, which have been used to describe the complete ageing process in more detail. For instance, the integral absorption in the B1u THz-region can be used to describe quantitatively the reduction of crystallinity. The formation of trans vinylene unsaturation and the decay of vinyl during ageing can be observed in detail in the mid IR range.
The knowledge of the cure situation during the production process of
thermosetting material is of enormous importance.
• Mid- and near- infrared (IR) spectroscopy in attenuated total
reflectance (ATR) geometry are promising techniques for curing
studies.
• An IR/THz sensor system was developed to investigate its suitability
for future online monitoring of curing processes in the production line.
Novel Technique for On-Line Monitoring of the Curing Process of Fiber Reinforced Polymer Composites
(2020)
A specially designed experimental set up has been integrated into a commercially available FT IR Spectrometer for ATR experiments on Epoxy Systems. Representative data of far infrared spectra measured during the curing process at different temperatures of an epoxy system will be presented in dependency of the curing situation. The experiments and the selected set up are discussed to demonstrate its potential for future monitoring and ageing control applications during a manufacturing process of polymer composites.
Virtuelle CT
(2020)
Das Computerprogramm aRTist ist ein praktisches Simulationswerkzeug zur Erzeugung realistischer Radiographien virtueller Durchstrahlungsaufbauten. Mit Durchstrahlungssimulationen können Bauteile, repräsentiert durch STL-Geometrien, wie in einem Computertomografen gescannt werden. Dabei werden verschiedenste Parameter gezielt und exakt berücksichtigt.
Die Virtuelle Computertomografie bietet neue Möglichkeiten der Untersuchung von Parametereinflüssen. Neben der Möglichkeit, physikalische Effekte an- und abzuschalten, z.B. die Streustrahlung, können auch Scanbewegungen getestet werden, bevor diese technisch realisiert werden.
Das für die Forschung entwickelte Simulationsprogramm aRTist bietet mit seiner intuitiven grafischen Benutzeroberfläche vielfältige Anwendungsmöglichkeiten auch in Praxis und Entwicklung, beispielsweise zur Parameteroptimierung, für Machbarkeitsstudien oder zur Abschätzung der Unsicherheit dimensioneller Messungen.
Im Zeitalter von Industrie 4.0 muss die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) mit den Anforderungen Schritt halten. Die erfolgreiche Umsetzung von Digitalisierung, Automatisierung, komplexer Vernetzung, künstlicher Intelligenz, Assistenzsystemen, intelligenten Sensortechnologien usw. hängt stark mit einer erfolgreichen und optimalen Mensch-Maschine-Interaktion (MMI) zusammen. In der ZfP 4.0 wird sich die Rolle des Prüfers zum flexiblen Problemlöser und Entscheider verändern. Dieser Wandel wird andere Anforderungen an die Prüfer stellen und eine andere Organisation der Prüfung, Ausbildung etc. erfordern. Der Mensch wird also weiterhin im Mittelpunkt der ZfP stehen. Zu den Herausforderungen, die dieser Wandel mit sich bringen wird, gehören das Vertrauen in automatisierte Systeme und die Akzeptanz neuer Technologien, für die Wege gefunden werden müssen, um sie zu bewältigen.
This presentation offers a holistic view on the assessment of reliability of NDT including the intrinsic reliability (typically expressed in terms of probability of detection (POD) curves), application, human and organisational factors. In addition to POD, advanced methods such as multiparameter POD, volume POD and POD for combined data are presented. Human and organisational factors in NDT require a systematic approach, i.e. it is not just the individual that determines how the inspections are carried out but also the interactions of individuals with the technology, team, organisation and the extra-organisational environment. Lessons learned from the literature as well as from own studies are presented.
The aim of this presentation is twofold: first, to present the field of psychology including its research methods and, second, to show on an example how psychology can be used in material research. The example is of the study of human factors in non-destructive testing (NDT), in which the author has more than 10 years of experience. The conclusion is that psychological methods can be used to identify human-related problems during different tasks and to generate mitigation strategies that can be used to decrease human error and enhance safety.
The fourth industrial revolution (also known as “Industry 4.0”) promises to relieve people from manual and physical work by developing cyber-physical systems and smart automation and thereby achieving a more efficient, reliable and safe performance. This will change people’s work from being operators of the system into becoming strategical decision makers and flexible problem solvers. This shift will require a new division of work between people and technical systems, a new division of responsibilities and new ways of interacting with technology, which in turn will pose new demands on people. People will require different physical and cognitive capabilities, different competencies and new strategies to cope with the upcoming challenges. The focus of Industry 4.0 is therefore on designing systems with human in the centre: systems that will extend people’s capabilities, that will allow collaborative work and take advantage of performances in which either people or technology excel. This presentation will focus on the benefits of consideration of human-machine interaction in the context of industry 4.0.
Porous ceramic diesel particulate filters (DPFs) are extruded products that possess macroscopic anisotropic mechanical and thermal properties. This anisotropy is caused by both morphologic features (mostly the orientation of porosity) and crystallographic texture. We systematically studied those two aspects in a cordierite and two aluminum titanate (AT) ceramic materials of different porosity using mercury porosimetry, gas adsorption, electron microscopy, X-ray diffraction, and X-ray refraction radiography. We found that a lower porosity in AT content implies a larger isotropy of both the crystal texture and the porous space orientation. We also found that, analogous to cordierite, AT crystallites do align with their axis of negative thermal expansion along the extrusion direction. However, unlike what found for cordierite, the aluminium titanate crystallite form is such that a more pronounced (0 0 2) texture along the extrusion direction implies porosity aligned perpendicular to it.
As opposed to reviewing results on experimental determination of residual stress by diffraction, this paper discusses the open issues when dealing with residual stress determination in additive manufactured parts, in particular those manufactured with laser powder bed fusion techniques. Three points are addressed in detail: (a) the proper determination of the strain-free reference d0, (b) the problem of the determination of the principal axes, and (c) the use of the correct diffraction elastic constants. It is shown that all methods to determine the strain-free reference d0 suffer from caveats, and care must be taken in evaluating the most suitable for the problem being tackled. In addition, it is shown that, in some systems, the principal axes do correspond to the geometrical axes of the specimen, but this needs to be systematically checked, especially in the case of uni- or bidirectional hatching strategies. Finally, the need to experimentally determine the proper diffraction elastic constants is underlined, especially in the case of strongly textured specimens, which again depends on the deposition strategy.
Entwicklung eines luftgekoppelten Ultraschall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2020)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (ZfP) eingesetzt um auf Basis der Signalstärke und der Laufzeit Einbauteile und Beschädigungen zu orten. Luftgekoppelter Ultraschall spielt bisher in kommerziellen Anwendungen vor Allem im Bauwesen eine untergeordnete Rolle, da die Differenz der akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern immense Verluste beim Übergang des Schallsignals hervorruft.
Im Rahmen des Promotionsvorhabens soll die Eignung eines neuartigen Anregungsprinzip untersucht werden, mit dem ein Großteil dieser Verluste vermieden werden soll. Anstelle eines Festkörpers soll mit Hilfe einer fluidischen Düse Druckluft zur Signalerzeugung eingesetzt werden. Die Impedanzverluste zwischen Aktuatormembran und Umgebungsluft entfallen daher.
Die gezielte Schallerzeugung durch einen pulsierenden Freistrahl ist weitgehend unerforscht. Es ist daher notwendig, den so erzeugten Schallpuls in der Interaktion mit dem transienten Strömungsfeld zu untersuchen. Das kompressible Medium Luft und die geringen räumlichen Dimensionen einer hochfrequenten Pulsdüse werfen darüber hinaus einige Herausforderungen hinsichtlich der eingesetzten Messtechnik auf. Hier sollen geeignete Verfahren weiterentwickelt und validiert werden, um die Eignung des fluidisch erzeugten Pulses zu überprüfen.
In diesem Vortrag werden erste Messungen an einem fluidischen Schalter mit denen an einem kommerziellen Luftultraschallprüfkopf verglichen.
A powerful tool to understand, demonstrate and explain the limits of the pulsed technique in terms of detectability and localizability of AM keyhole pores has been assessed by comparing the active thermographic approach (both experimental and FEM simulations) to Computed Tomography results;
✓ µCT results demonstrate that the intended defect geometry is not achieved; indeed a network of voids (microdefects consisting of small sharp-edged hollows with a complicated, almost fractal, inner surface) was found;
✓ both Exp-PT and FEM results explains clearly why no indication of defect related to the thermal contrasts could be found during the investigation of an uncoated surface. However, the application of further data evaluations focusing on the thermal behavior and emissivity evaluation (PPT post data processing) enable the detection of some defects;
✓ coating facilitates a closer inspection of inner defects, but inhomogeneities of the coating could impair the spatial resolution and lead to the emergence of hotspots (the FEM simulation reached its limit with this extreme geometry where a 25 µm thin disc is considered at a 1 cm thick specimen in millisecond time resolution);
✓ both Exp-PT and FEM results allow the conclusion that very short pulses of 200 ms or shorter should be sufficient to detect these defects below, but near the surface; besides a short duration of the thermal phenomenon it should be emphasized, about 0.04 s (high frame rate camera);
Monitoring of concrete structures is of utmost importance in maintenance and preservation of infrastructure. As a part of the DFG research group CoDA (Concrete Damage Assessment by Coda Waves), the works within this PhD project aim for identification of damage sensitive parameters extracted from ultrasonic measurements obtained with embedded sensors, the determination of environmental (reversible) influences on the signal and the localisation of damaged areas. The main technique used for the detection of changes in the monitored material is the so-called Coda Wave Interferometry (CWI). It uses the later part of the ultrasonic recording for the detection of small changes in the sensed area and the calculation of a relative velocity change. Using this technique we can show that we are able to detect changes in concrete temperature with ultrasound measurements. This enables temperature correction for ultrasound monitoring with embedded sensors. The crucial point for imaging and localisation with coda waves is the calculation of the so-called sensitivity kernels. We propose the application of numerical wave simulations for the kernel calculations instead of the commonly used diffusivity equation. Using finite-difference wave modelling code from our DFG project partners we are able to calculate those Kernels and first results are shown in this presentation. The major task for the second year will be the development and implementation of the inversion algorithm as well as the preparation of validation experiments.
Monitoring of Concrete with Embedded Ultrasound Sensors, Coda Waves and a Novel Measurement Device
(2020)
Using embedded ultrasound (US) sensors in civil engineering structures and Coda Wave Interferometry (CWI), DFG research group CoDA aims for developing methods of concrete damage assessment by combination of Micro and macro scale simulations and experiments. BAMs goal within the project is the provision of small and durable measurement equipment on the one hand, and the investigation of damage sensitive parameters and development of an imaging algorithm on the other hand. In this study we focus on the development of the measurement system and the influence of temperature variations on the measurements.
Micromechanical response of multi-phase Al-alloy matrix composites under uniaxial compression
(2020)
Aluminum alloys are extensively used in the automotive industry. Particularly, squeeze casting production of Al-Si alloys is employed in the conception of metal matrix composites (MMC) for combustion engines. Such materials are of a high interest since they allow combining improved mechanical properties and reduced weight and hence improve efficiency. Being a multiphase material, most MMCs show complex micromechanical behavior under different load conditions. In this work we investigated the micromechanical behavior of two MMCs, both consisting of a near-eutectic cast AlSi12CuMgNi alloy, one reinforced with 15%vol. Al2O3 short fibers and the other with 7%vol. Al2O3 short fibers + 15%vol. SiC particles. Both MMCs have complex 3D microstructure consisting of four and five phases: Al-alloy matrix, eutectic Si, intermetallics, Al2O3 fibers and SiC particles.
The in-situ neutron diffraction compression experiments were carried out on the Stress-Spec beamline and disclosed the evolution of internal phase-specific stresses in both composites. In combination with the damage mechanism revealed by synchrotron X-ray computed tomography (SXCT) on plastically pre-strained samples, this allowed understanding the role of every composite’s phase in the stress partitioning mechanism. Finally, based on the Maxwell scheme, a micromechanical model was utilized. The model perfectly rationalizes the experimental data and predicts the evolution of principal stresses in each phase.
The creep strengthening mechanisms in (age-hardenable) aluminum alloys are analyzed on the basis of a new microstructural study of powder samples, an analysis of a comprehensive revision of creep data from the literature, and a new modeling approach. A strategy based on the strength difference (SD) method to separate the contributions of solid solution atoms and precipitates to creep strengthening is proposed. The new methodology considers the combination of the two contributions avoiding the need of a threshold stress term in the creep equation. The contribution of both precipitates and solid solution is taken into account by means of the analysis of the lattice parameter variation with aging time. For this study, powders of two commercial AA2xxx alloys have been analyzed using diffraction methods. The experimental results are modeled using Lubarda’s approach combined with the SD method.
Luftultraschall
(2020)
The present paper describes the development of a sensor material that changes its fluorescence in the presence of gaseous ammonia in a relevant concentration range. The implementation into a semi-automatic gas measurement device enables low-cost, precise, simple and fast monitoring of low con-centrations of harmful gases, like ammonia, and hence can help to improve the climate monitoring in livestock housing, barns or stables.
Im Zuge der Ist-Zustandserfassung von Stahl- und Spannbetonbauwerken spielt die chemische Analyse von Beton eine zentrale Rolle. Durch den externen Eintrag von schädigenden Substanzen wie Chlorid oder Alkalien aus Tausalzen oder Meerwasser, kann u.U. der Beton und/oder die Stahlbewehrung angegriffen werden. Bei Überschreitung kritischer korrosionsauslösender Chloridgehalte, z.B. bei Stahlbeton 0,4 M.-% (bzw. 0,5 M.-%) und Spannbeton 0,2 M.-% bezogen auf den Zement, erhöht sich das Risiko für eine Chlorid-induzierte Korrosion. Für die Beurteilung eines Instandsetzungsbedarfs und, sofern notwendig, der Erarbeitung eines Instandsetzungskonzeptes muss nach der Rili-SIB1 ein sachkundiger Planer herangezogen werden. Standardmäßig werden für die chemische Analyse Bohrkerne bzw. Bohrmehlproben aus dem zu untersuchenden Bauwerk entnommen und nach aufwendiger Probenvorbereitung nasschemisch analysiert (nach DAfStb Heft 401 oder DIN 14629). Dabei wird der Gesamtchloridgehalt bezogen auf die Einwaage angegeben. Eine Umrechnung auf den Zementgehalt erfolgt i.d.R. durch Schätzwerte. Der Einsatz der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) wird seit Mitte der 90er Jahren an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung erforscht, um den Chloridgehalt durch eine ortsaufgelöste Elementanalyse an einer Betonprobe möglichst genau zu ermitteln. Die zweidimensionale LIBS-Messung mit einer lateralen Auflösung von 100 µm x 100 µm erlaubt die Berücksichtigung der Heterogenität von Beton. Dabei lassen sich die Bindemittelmatrix und die Gesteinskörnung separat betrachten, wodurch sich die Aussagekraft der Ergebnisse und somit die Sicherheit der chemischen Zustandserfassung erhöht. Durch die stetige Weiterentwicklung von Komponenten wie Laser, Spektrometer und analytischer Auswerteroutinen sind mittlerweile automatisierte Systeme für die schnelle LIBS-Analyse auf dem Markt verfügbar. In diesem Vortrag wird der aktuelle Stand der Technik anhand von Praxisbeispielen präsentiert und entscheidende Vorteile gegenüber dem Standardverfahren herausgestellt. Aufgrund der Möglichkeit für eine simultane Multielementanalyse mit LIBS werden weitere Anwendungen, wie z.B. die Ermittlung der Karbonatisierungstiefe, Untersuchungen von Transportprozessen, Chlorideintrag entlang von Rissen oder Untersuchungen von Elementverteilungen im Kontext einer AKR vorgestellt.
Schnelle ortsaufgelöste Chloridbestimmung mit der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS)
(2020)
Im Zuge der Ist-Zustandserfassung von Stahl- und Spannbetonbauwerken spielt die chemische Analyse von Beton eine zentrale Rolle. Durch den externen Eintrag von schädigenden Substanzen wie Chlorid oder Alkalien aus Tausalzen oder Meerwasser, kann u.U. der Beton und/oder die Stahlbewehrung angegriffen werden. Bei Überschreitung kritischer korrosionsauslösender Chloridgehalte, z.B. bei Stahlbeton 0,4 M.-% (bzw. 0,5 M.-%) und Spannbeton 0,2 M.-% bezogen auf den Zement, erhöht sich das Risiko für eine Chlorid-induzierte Korrosion. Für die Beurteilung eines Instandsetzungsbedarfs und, sofern notwendig, der Erarbeitung eines Instandsetzungskonzeptes muss nach der Rili-SIB1 ein sachkundiger Planer herangezogen werden. Standardmäßig werden für die chemische Analyse Bohrkerne bzw. Bohrmehlproben aus dem zu untersuchenden Bauwerk entnommen und nach aufwendiger Probenvorbereitung nasschemisch analysiert (nach DAfStb Heft 401 oder DIN 14629). Dabei wird der Gesamtchloridgehalt bezogen auf die Einwaage angegeben. Eine Umrechnung auf den Zementgehalt erfolgt i.d.R. durch Schätzwerte. Der Einsatz der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) wird seit Mitte der 90er Jahren an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung erforscht, um den Chloridgehalt durch eine ortsaufgelöste Elementanalyse an einer Betonprobe möglichst genau zu ermitteln. Die zweidimensionale LIBS-Messung mit einer lateralen Auflösung von 100 µm x 100 µm erlaubt die Berücksichtigung der Heterogenität von Beton. Dabei lassen sich die Bindemittelmatrix und die Gesteinskörnung separat betrachten, wodurch sich die Aussagekraft der Ergebnisse und somit die Sicherheit der chemischen Zustandserfassung erhöht. Durch die stetige Weiterentwicklung von Komponenten wie Laser, Spektrometer und analytischer Auswerteroutinen sind mittlerweile automatisierte Systeme für die schnelle LIBS-Analyse auf dem Markt verfügbar. In diesem Vortrag wird der aktuelle Stand der Technik anhand von Praxisbeispielen präsentiert und entscheidende Vorteile gegenüber dem Standardverfahren herausgestellt. Aufgrund der Möglichkeit für eine simultane Multielementanalyse mit LIBS werden weitere Anwendungen, wie z.B. die Ermittlung der Karbonatisierungstiefe, Untersuchungen von Transportprozessen, Chlorideintrag entlang von Rissen oder Untersuchungen von Elementverteilungen im Kontext einer AKR vorgestellt.
New possibilities for concrete analysis 4.0 with the Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)
(2020)
In civil engineering the damage assessment of concrete infrastructures is an important task to monitor and ensure the estimated life-time. The aging of concrete is caused by different damage processes like the chloride induced pitting corrosion of the reinforcement. The penetration depth and the concentration of harmful species are crucial factors in the damage assessment. As a highly cost and time-consuming standard procedure, the analysis of concrete drill cores or drilling by wet-chemistry is widely used. This method provides element concentration to the total mass as aggregates and binder are homogenized. In order to provide a method that is capable to detect the element concentration regarding the cement content only, the laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) will be presented. The LIBS method uses a focused pulsed laser on the sample surface to ablate material. The high-power density and the laser-material interaction causes a laser-induced plasma that emits elemental and molecular line emission due to energy transition of the excited species in the plasma during the cooling phase.
As each element provides element-specific line emission, it is in principle possible to detect any element on the periodic table (spectroscopic fingerprint) with one laser shot. In combination with a translation stage the sample under investigation can be spatially resolved using a scan raster with a resolution up to 100 µm (element mapping). Due to the high spatial resolution, the element distribution and the heterogeneity of the concrete can be evaluated. By using chemometrics the non-relevant aggregates can be excluded from the data set and the element concentration can be quantified and referred to a specific solid phase like the binding matrix (cement) only. In order to analyze transport processes like diffusion and migration the twodimensional element distributions can provide deep insight into the transport through the pore space and local enrichments of elements. As LIBS is a multi-elemental method it is also possible to compare the ingress and transport process of different elements like Cl, Na, K, S, C, and Li simultaneously and evaluate cross-correlations between the different ions. Furthermore, the element mapping allows to visualize the transport along cracks. This work will show the state of the art in terms of hardware and software for an automated LIBS system as well as different application for a concrete analysis 4.0. Focus will be the application of LIBS for a fast concrete analysis.
Faseroptische Sensorsysteme bieten heute die Möglichkeit des Online-Monitorings von sensiblen, für die Energieversorgung wichtigen Betriebsmitteln. Insbesondere Hochenergiekabel, wie diese sowohl im Offshore- als auch im Onshorebereich eingesetzt werden, sind prädestiniert für eine zustandsorientierte Überwachung. Gerade Hochspannungshochenergiekabel sind Betriebsmittel, die im Falle eines Ausfalls durch Schäden mit hohen Reparatur- und Folgekosten verbunden sind. Mit dem Einsatz von faseroptischen Sensoren sind mechanische Einflüsse wie Vibrationen z. B. verursacht durch Ankerfall, Temperaturhotspots oder auch Teilentladungsaktivitäten an dezidierten vulnerablen Stellen wie Kabelendverschlüssen oder –muffen über längere Kabelstrecken detektierbar. Der Einsatz von im Rahmen des Verbundprojekts Monalisa entwickelter faseroptischer Diagnosetechnik in Verbindung mit faseroptischen Sensoren wird hier aufgezeigt.
Machine learning based multi-sensor fusion for the nondestructive testing of corrosion in concrete
(2020)
Half-cell potential mapping (HP) is the most popular non-destructive testing method (NDT) for locating corrosion damage in concrete. It is generally accepted that HP is susceptible to environmental factors caused by salt-related deterioration, such as different moisture and chloride gradients. Additional NDT methods are able to identify distinctive areas but are not yet used to estimate more accurate test results. We present a Supervised Machine Learning (SML) based approach to data fusion of seven different signal features to obtain higher quality information. SMLs are methods that explore (or learn) relationships between different (sensor) data from predefined data labels. To obtain a representative, labelled data set we conducted a comprehensive experiment simulating the deterioration cycle of a chloride exposed device in the laboratory. Our data set consists of 18 measurement campaigns, each containing HP, Ground Penetrating- Radar, Microwave Moisture and Wenner resistivity data. We compare the performance of different ML approaches. Many outperform the best single method, HP. We describe the intrinsic challenges posed by a data-driven approach in NDT and show how future work can help overcome them.
Anwendungsfelder von verteilter faseroptischer akustischer Sensorik (DAS) werden anhand von früheren, gegenwärtigen und zukünftigen Projekten an der BAM vorgestellt und die Leistungsfähigkeit von DAS demonstriert. Die dargestellten Anwendungen sind Monitoring von Rohrleitungen, von Unterseekabeln, von Zügen und Gleisen, von Brücken, von Strassen und Verkehr, von Erdbebenauswirkungen in urbanen Gebieten, von Bohrlöchern im Kontext Erdgasspeicher und für Exploration und Monitoring von Untergründen für Geothermie-Anwendungen.
Die Eigenschaften von optischen Fasern und faseroptischen Sensoren werden beschrieben und die Funktionsweise von verteilter faseroptischer akustischer Sensorik (DAS) erklärt. Die Verwendung von DAS für Zustandsmonitoring vor allem von Infrastruktur und Anlagen wird motiviert. Im Folgenden wird die Einsetzbarkeit von DAS für verschiedenste Anwendungen anhand einiger Beispiele (vergangene und gegenwärtige Projekte der BAM zum Thema DAS für Infrastrukturmonitoring) gezeigt. Diese betreffen das Monitoring von Rohrleitungen/Pipelines, von Energiekabeln, von Gleisanlagen und Zügen, von Brücken und von Strassen und Strassenverkehr.
Die Verwendung von Methoden des Maschinellen Lernens (ML) und der Künstlichen Intelligenz (KI) im Fachbereich 8.6 Faseroptische Sensorik wird dargestellt. Die vielfältigen Möglichkeiten, Machine Learning auf Basis Künstlicher Neuronaler Netze (ANN) für eine schnelle und effiziente Datenverarbeitung eizusetzen werden demonstriert. Hierfür werden Beispiele für die Anwendungszwecke Messgrößenberechnung, Entrauschen, Interpolation, Bildverarbeitung und Messdatenauswertung aufgezeigt.
Der Vortrag gibt einen Überblick über die Einsatzmöglichkeiten faseroptischer Sensorik (FOS) als ZfP-Verfahren. Dabei werden an Beispielen lokale und verteilte faseroptische Verfahren zur Dehnungs-, Temperatur- und Risserfassung sowie zur akustischen Messung vorgestellt. Weiterhin werden Möglichkeiten zur Selbstdiagnose von FOS aufgezeigt.
Verwendung faseroptischer Messtechnik im Zuge wiederholter Eignungsprüfungen an Verpressankern
(2020)
Im Rahmen des Ausbaus des Dortmund-Ems-Kanals wurden an der Schleuse Gleesen Forschungsanker installiert, die Rückschlüsse auf das Tragverhalten in Folge des chemischen Angriffs kalklösender Kohlensäure geben sollen. Die Forschungsanker werden seit der Erstellung im Jahr 2017 mit verteilter faseroptischer Sensorik während der jährlichen Eignungsprüfungen untersucht. Die Ergebnisse der Jahre 2017 bis 2019 werden im Folgenden dargestellt.
Design and Implementation of Smart Multisensor Monitoring System for Safe Workplaces with LoRaWAN
(2020)
This project addresses the application of safe workplaces in offices and chemical laboratories where indoor air quality plays an important role. The LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) is used as a communication interface to make important sensor data globally accessible. The goal of the development is to create a sensor node and an online and offline solution that collects the data from the sensor nodes and stores it on a local server or in a cloud. In cooperation with the companies WISTA GmbH and IONOS, a test sensor network is going to be established in the Berlin-Adlershof area.
Increasing traffic volume on the one hand and ageing infrastructure on the other hand have created many new challenges for maintenance and structural health monitoring of roads and bridges. In the past, many bridges and road structures have been neglected, often resulting in traffic congestion, road closure, and increased repair costs.
This research is concerned with the development of a system to improve the challenge of maintenance and early detection of damage, particularly moisture penetration and corrosion of steel reinforced concrete components. The objective is to develop a method that will also work after 30 years and longer. Many new IoT solutions are equipped with internal energy storage elements (accumulators or batteries) which are inappropriate here, since most relevant signs of concrete degradation occur after decades, where the functioning of such elements are more than questionable. The presented technology approach uses radio-frequency identification (RFID) and enables connectivity to sensors. It offers the advantage of an passive, completely independent energy supply without any energy storage components.
Since the system should be permanently embedded in concrete, it is crucial to develop a long-term stable device which is adapted to the environmental influences of the structure, e.g., long-term resistance in very alkaline environment of pH 13. In numerous experiments, the robustness of the system was tested and evaluated. Various tests with encapsulations to protect the electronics were performed, and for long-term validation different concrete specimens were instrumented with RFID-sensor-systems. Their operating time is now around two years and investigations for signs of fatigue and damage to the encapsulation and the electronics are ongoing.
Short presentation of the PhD project in machine learning based Brillouin distributed sensing. Machine learning can be used to enhance the performance of BOFDA and reduce considerably the measurement time. Apart from this, ML can also be used to extract more information from the Brillouin gain spectrum in order to render the temperature and strain discrimination possible
Data set of low-field NMR spectra of continuous synthesis of nitro-4’-methyldiphenylamine (MNDPA). 1H spectra (43 MHz) were recorded as single scans.
Two different approaches for the generation of artificial neural networks training data for the prediction of reactant concentrations were used: (i) Training data based on combinations of measured pure component spectra and (ii) Training data based on a spectral model.
Synthetic low-field NMR spectra
First 4 columns in MAT-files represent component areas of each reactant within the synthetic mixture spectrum.
Xi (“pure component spectra dataset”)
Xii (“spectral model dataset”)
Experimental low-field NMR spectra from MNDPA-Synthesis
This data set represents low-field NMR-spectra recorded during continuous synthesis of nitro-4’-methyldiphenylamine (MNDPA). Reference values from high-field NMR results are included.
Multivariate Auswertung von Radarsignalen zur Bestimmung typischer Feuchteschäden in Fußböden
(2020)
Leitungswasserschäden nahmen im Jahr 2018 mit rund 2,9 Milliarden Euro den größten Posten bei Gebäudeversicherungen ein und verursachten damit mehr Kosten, als Elementar-, Feuer, Sturm- und Hagelschäden zusammen. Neutronensonden helfen hier bereits bei der horizontalen Eingrenzung eines Feuchteschadens, wobei die vertikale Unterscheidung betroffener Schichten nur durch die zerstörende Entnahme von Bohrkernen vorgenommen werden kann. Der parallele Einsatz des Radarverfahrens soll hier mit seiner hohen Sensitivität für Wasser künftig zu einem erhöhten Informationsgehalt beitragen und eine kostengünstigere Schadensdiagnose und Planung der Reparaturmaßnahmen ermöglichen.
In einem laufenden Forschungsvorhaben werden in systematischen Laborstudien gängige Schadensfälle an häufig anzutreffenden Fußbodenaufbauten simuliert und deren Einfluss auf das Radarverfahren untersucht. Die Bewertung der Schadensträchtigkeit zugeführter Wassermengen erfolgt mithilfe von Luftfeuchtesensoren, welche in der Dämmebene platziert sind. Beim Aufbau der Fußbodenstrukturen kommen Zement- und Anhydritestriche, sowie die Dämmmaterialen Styropor, Styrodur, Glaswolle und Perlite-Schüttung mit variierenden Schichtdicken zum Einsatz. Die Robustheit der zu entwickelnden Messmethode gegenüber derartig verschiedenen und in der Praxis häufig unbekannten Schichtstrukturen stellt eine besondere Herausforderung dar und soll durch den Einsatz multivariater Datenauswertung erhöht werden. Diesbezüglich empfehlen bisherige Ergebnisse die Betrachtung der örtlichen Verteilungen qualitativer Signalmerkmale wie Amplituden, Laufzeiten und Frequenzen im Radargramm (B-Scan). Deren Eignung für reale Schadensfälle außerhalb der Laborumgebung wird hierbei stets kritisch hinterfragt und soll weiterführend an Praxiseinsätzen validiert werden.
Signalmerkmale des Radarverfahrens zur Klassifizierung von Feuchteschäden in Fußbodenaufbauten
(2020)
Zur Eingrenzung und Klassifizierung auftretender Feuchteschäden in geschichteten Fußbodenaufbauten wird bereits seit vielen Jahren das Neutronensondenverfahren eingesetzt. Während eine Eingrenzung des Schadens bereits durch die zerstörungsfrei aufgenommenen Messdaten möglich ist, erfordert die Klassifizierung zeit- und kostenintensive Sondierungsbohrungen. Die somit gewonnenen Tiefeninformationen zur Lage des Flüssigwassers tragen maßgeblich zur Planung der erforderlichen Reparaturarbeiten bei, was die Frage nach einer zerstörungsfreien Alternative zur vertikalen Lokalisierung von Feuchte in Fußböden stellt. Das Radarverfahren ist mit seiner hohen Sensitivität für Wasser besonders geeignet und soll künftig zur automatisierten Klassifizierung typischer Schadensfälle beitragen.
In einem laufenden Forschungsvorhaben werden in systematischen Laborstudien gängige Schadensfälle an häufig anzutreffenden Fußbodenaufbauten simuliert und deren Einfluss auf die genannten Verfahren untersucht. Hierbei kommen Zement- und Anhydritestriche, sowie unterschiedliche Dämmmaterialen mit variierenden Schichtdicken zum Einsatz.
Wesentlicher Bestandteil der Auswertung ist die Extraktion signifikanter Signalmerkmale des Radarverfahrens, welche Rückschlüsse auf den Schadensfall und ggf. die Wassermenge zulassen. Die Robustheit gegenüber unterschiedlichsten Aufbauten mit wechselnden Schichtdicken und Materialien steht hierbei besonders im Fokus. Erste Ergebnisse empfehlen die Betrachtung der örtlichen Verteilung bestimmter Signalmerkmale im Radargramm (B-Scan), um eine Klassifizierung der Schadensfälle vornehmen zu können.
Das Neutronensondenverfahren wird bereits seit vielen Jahren erfolgreich zur Eingrenzung und Quantifizierung auftretender Feuchteschäden an Fußböden eingesetzt. Hierzu bedarf es jedoch einer Vielzahl zerstörender Sondierungsbohrungen, welche die gewonnenen Messdaten kalibrieren und eine Tiefenzuordnung des Flüssigwassers zulassen. Dadurch entsteht ein zeitlicher und finanzieller Aufwand, der durch den parallelen Einsatz des elektromagnetischen Radarverfahrens vermieden werden könnte. Mit seiner hohen Sensitivität für Wasser bietet diese Messmethode die Möglichkeit der vertikalen Lokalisierung von Feuchte, was zu einer automatisierten Klassifizierung typischer Schadensfälle beitragen soll.
In einem laufenden Forschungsvorhaben werden in systematischen Laborstudien gängige Schadensfälle an häufig anzutreffenden Fußbodenaufbauten simuliert und deren Einfluss auf die genannten Verfahren untersucht. Hierbei kommen Zement- und Anhydritestriche, sowie unterschiedliche Dämmmaterialen mit variierenden Schichtdicken zum Einsatz. Wesentlicher Bestandteil der Auswertung ist die Extraktion signifikanter Signalmerkmale des Radarverfahrens, welche Rückschlüsse auf den Schadensfall und ggf. die Wassermenge zulassen. Weiterführend sollen die Kombinationsmöglichkeiten der verschiedenen Signalmerkmale und der Neutronensondendaten durch Methoden der multivariaten Datenauswertung und des maschinellen Lernens geprüft werden. Die Unabhängigkeit gegenüber wechselnden Schichtdicken und Materialien steht hierbei besonders im Fokus und soll anhand der erzielten Ergebnisse evaluiert werden.
In this ongoing research project, we study the influence of moisture damage on Ground Penetrating Radar (GPR) in different floor constructions. For this purpose, a measurement setup with interchangeable layers is developed to vary the screed material (cement or anhydrite) and insulation material (glass wool, perlite, expanded and extruded polystyrene), as well as the respective layer thickness. The evaluation of the 2 GHz common-offset radar measurements is focused on the extraction of distinctive signal features that can be used to classify the underlying case of damage without any further information about the hidden materials or layer thicknesses. In the collected dataset, we analyze the horizontal distribution of A-scan features in corresponding B-scans to detect water in the insulation layer. Furthermore, possible combinations of these features are investigated with the use of multivariate data analysis and machine learning (logistic regression) in order to evaluate the mutual dependencies. In this study, the combination of an amplitude- and frequency-based feature achieved an accuracy of 93.2 % and performed best to detect a damage in floor insulations.
Kombinierte faseroptische Messungen in Bohrlöchern helfen bei der Detektion von Kleinstleckagen
(2020)
Seit November 2019 läuft ein breit angelegtes und vom BMWi gefördertes ZIM-Kooperationsprojekt zwischen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), der IAB'Weimar gGmbH, der GKSO GmbH & Co. Projekt KG, der DEEP.KBB GmbH sowie der Rembe Consulting PartG mbB. Ziel des Forschungsvorhabens sind sowohl die Lokalisierung als auch die Quantifizierung insbesondere sehr kleiner Leckagen in einer Bohrlochverrohrung durch die Nutzung faseroptischer Messtechnik. Durch Messdatenkopplung und den Wegfall bewegungsbedingter Nachteile einer Messsonde werden wesentlich präzisere Ergebnisse zur Bewertung der Bohrlochintegrität als üblich
erwartet.
A large amount of data and information is collected in the field of non-destructive testing (NDT) in civil engineering. The weakly structured data are usually evaluated with regard to specific testing tasks (e.g. geometry determination, damage localization, quality assurance). While the data offers great economic potential, i.e. to support construction planning, monitoring and maintenance processes, the evaluation is manual and case-by-case and therefore too inefficient for broader applications. We present recent visions and approaches how these large amounts of data need to be handled in the future and how we aim to make the acquired knowledge accessible to our stakeholders. Building on initiatives in materials research, we stress the importance of further research in the field of semantic data integration particularly motivate why an ontology is needed for the area of NDT in civil engineering.
Das Neutronensondenverfahren wird bereits seit vielen Jahren erfolgreich zur Eingrenzung und Quantifizierung auftretender Feuchteschäden an Fußböden eingesetzt. Hierzu bedarf es jedoch einer Vielzahl zerstörender Sondierungsbohrungen, welche die gewonnenen Messdaten kalibrieren und eine Tiefenzuordnung des Flüssigwassers zulassen. Dadurch entsteht ein zeitlicher und finanzieller Aufwand, der durch den parallelen Einsatz des elektromagnetischen Radarverfahrens vermieden werden könnte. Mit seiner hohen Sensitivität für Wasser bietet diese Messmethode die Möglichkeit der vertikalen Lokalisierung von Feuchte, was zu einer automatisierten Klassifizierung typischer Schadensfälle beitragen soll.
In einem laufenden Forschungsvorhaben werden in systematischen Laborstudien gängige Schadensfälle an häufig anzutreffenden Fußbodenaufbauten simuliert und deren Einfluss auf die genannten Verfahren untersucht. Hierbei kommen Zement- und Anhydritestriche, sowie unterschiedliche Dämmmaterialen mit variierenden Schichtdicken zum Einsatz. Wesentlicher Bestandteil der Auswertung ist die Extraktion signifikanter Signalmerkmale des Radarverfahrens, welche Rückschlüsse auf den Schadensfall und ggf. die Wassermenge zulassen. Weiterführend sollen die Kombinationsmöglichkeiten der verschiedenen Signalmerkmale und der Neutronensondendaten durch Methoden der multivariaten Datenauswertung und des maschinellen Lernens geprüft werden. Die Unabhängigkeit gegenüber wechselnden Schichtdicken und Materialien steht hierbei besonders im Fokus und soll anhand der erzielten Ergebnisse evaluiert werden.
Integration of fibre reinforcement in high-performance cementitious materials has become widely applied in many fields of construction. One of the most investigated advantages of steel fibre reinforced concrete (FRC) is the deceleration of crack growth and hence it’s improved sustainability due to e.g. decrease of permeability of concrete by aggressive substances. Additional benefits are associated with the structural properties of FRC, where fibres can significantly increase the ductility and the tensile strength of concrete. In some applications, such as tunnel linings or industrial slabs, it is even possible to entirely replace the conventional reinforcement, leading to significant logistical and environmental benefits. Fibre reinforcement can, however, have critical disadvantages and even hinder the performance of concrete, since it can induce an anisotropic material behaviour of the mixture if the fibres are not appropriately oriented. For a safe use of FRC in the future, reliable non-destructive methods need to be identified to assess the fibres’ orientation in hardened concrete. In this study, ultrasonic material testing, electrical impedance testing, and X-ray computer tomography have been investigated for this purpose using specially produced samples with biased or random fibre orientations. This paper demonstrates the capabilities of each of these NDT techniques for fibre orientation measurements and draws conclusions based on these results about the most promising areas for future research and development using these techniques.
Modern air-liners and rotor blades of wind turbines are basically made of fiber reinforced plastics (FRP). Their failure heavily impairs the serviceability and the operational safety. Consequently, knowledge of the failure behavior under static and cyclic loads is of great interest to estimate the operational strength and to compare the performance of different materials. Ideally, the damage evolution under operational load is determined with in-situ non-destructive testing techniques. Here, we report on in-situ synchrotron X-ray imaging of tensile stress induced cracks in carbon fiber reinforced plastics (CFRP) due to inter fiber failure. An in-house designed compact-tensile testing machine with a load range up to 15 kN was integrated into the beam path. Since conventional radiographs do not reveal sufficient contrast to distinct cracks due to inter fiber failure and micro cracking from fiber bundles, the Diffraction Enhanced Imaging technique (DEI) is applied in order to separate primary and scattered (refracted) radiation by means of an analyzer crystal. In the laboratory, scanning X-ray refraction topography of CFRP has been applied long before but it comes along with several disadvantages: the long total measuring time hampers real time (in-situ) measurements and the required small beam size hinders end-to-end imaging. The introduced technique overcomes both drawbacks. Imaging and tensile test rig are run unsynchronized at the greatest possible frame rate (0.7 s-1 at 28.8 µm pixel size) and smallest possible strain rate (5.5∙10-4 s-1). For 0°/90° non-crimped fabrics (ncf) the first inter fiber cracks occurred at 380 MPa (strain 0.7 %). Prior to failure at about 760 MPa (strain 2.0 %) we observe the evolution of a nearly equidistant 1 mm grid of cracks running across the entire sample in the fully damaged state before total failure.
Modern air-liners and wind turbine rotor blades are made up primarily of fiber reinforced plastics. Failure of these materials heavily impairs the serviceability and the operational safety. Consequently, knowledge of the failure behavior under static and cyclic loads is of great interest to estimate the operational strength and to compare the performance of different materials. Ideally, the damage evolution under operational load is determined with in-situ non-destructive testing techniques. Here, we report in-situ synchrotron X-ray imaging of tensile stress induced cracks in carbon fiber reinforced plastics due to inter-fiber failure. An inhouse designed compact tensile testing machine with a load range up to 15 kN was integrated into the beamline. Since conventional radiographs do not reveal sufficient contrast to distinguish cracks due to inter-fiber failure and micro cracking from fiber bundles, the Diffraction Enhanced Imaging (DEI) technique is applied in order to separate primary and scattered (refracted) radiation by means of an analyzer crystal. This technique allows fast measurements over large fields-of-view and is ideal for in-situ investigations.
Inhalt der Präsentation:
- Einführung in das Prinzip der Laufzeitmessung
- Vorteile bei der Anwendung von Volumenverfahren an Spannbetonbrücken
- Möglichkeiten zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von ZfP-Verfahren und zur Verwendung der Messergebnisse in probabilistischen Nachweisen von Bestandstragwerken
Fortwährend besteht ein wesentlicher Bedarf an Nachrechnungen von bestehenden Brückenbauwerken. Die Zuverlässigkeit der Berechnungsergebnisse hängt insbesondere von der Anzahl und von der Qualität der einbezogenen Informationen ab. Durch die Anwendung von zerstörungsfreien Prüfmethoden können quantitative Informationen gesammelt werden, die für die Beurteilung der Tragwerke sowohl relevant als auch ausreichend genau sind. Die gemessenen Daten können explizit in probabilistische Berechnungsmodelle für die Nachrechnung einer Brücke einfließen. Dadurch wird das Modell sukzessive an die Realität angenähert — in anderen Worten: "zugeschärft". Die Zuverlässigkeit der Ergebnisse der Nachrechnung steigt.
In diesem Posterbeitrag wird ein entwickeltes Konzept für die Verwendung von Messergebnissen (anstelle von deterministischen Informationen und Annahmen) im statischen Nachweis zusammengefasst. Am Fallbeispiel einer Spannbetonbrücke werden die Vorteile des dargestellten Ansatzes aufgezeigt. Die Messgrößen (hier die Positionen der Längsspannglieder) und die Messstrategien können anhand von Sensitivitätsanalysen definiert und die Anforderungen an die Messergebnisse aus der statischen Berechnung spezifiziert werden. Die Auswirkungen
a) der Messunsicherheit auf die Tragwerkszuverlässigkeit sowie
b) von gegenüber den vor den Messungen verfügbaren Informationen abweichenden Messwerten sind am Beispiel der Lokalisierung der Längsspannglieder durch Ultraschall- und Radarmessungen dargestellt.
Damit eine Simulationsrechnung, beispielsweise mit einer FEM-Software, eine ausreichend hohe Genauigkeit erreicht, muss vorausgesetzt werden, dass die Modellparameter eine sehr hohe Güte aufweisen. Die genaue Kenntnis der Materialparameter ist dabei von besonderer Bedeutung. Um diese Parameter bestimmen zu können, müssen die verwendeten Werkstoffe messtechnisch charakterisiert werden. Neben anderen Ansätzen sind dafür akustische Verfahren im Ultraschallbereich geeignet. Für dünnwandige und plattenförmige Materialien können aus den sich ausbreitenden geführten Wellen messtechnisch Dispersionskurven bestimmt und aus diesen die Materialparameter abgeleitet werden.
Da für die Signalverarbeitung und für Optimierungsaufgaben aktuell zunehmend Machine Learning Tools zum Einsatz kommen, stellt sich die Frage, ob diese Werkzeuge auch für die Ermittlung der Materialparameter aus den gemessenen Dispersionskurven eingesetzt werden können.
In der vorgestellten Untersuchung soll ein Convolutional Neural Network aufgestellt werden, welches aus Dispersionsbildern Muster extrahiert und aus diesen eine Schätzung für die Materialparameter ermittelt. Um die Machbarkeit dieses Ansatzes zu prüfen, werden zunächst nur isotrope Materialien betrachtet. Für das Netz werden mit der Scaled-Boundary-Finite-Element-Methode synthetische Daten für das Trainieren und Validieren generiert. Zusätzlich werden die Hyperparameter des neuronalen Netzes variiert, um ein optimales Model für die Schätzung zu finden. Anschließend kann das Netz mit experimentellen Daten getestet und das Ergebnis hinsichtlich der Genauigkeit bewertet werden.
Ti-Al-Nb based intermetallic layers of sufficient quality and thickness were obtained by non-vacuum electron beam cladding on the surfaces of Ti workpieces. Optical microscopy and X-ray tomography did not reveal any dramatical defects in the structure of cladded layers. X-ray diffraction as well as scanning and transmission electron microscopy were applied to thoroughly investigate the structure and phase composition of coatings. It was found that non-equilibrium cooling conditions of coatings provided by fast removal of heat to untreated Ti substrate after the electron beam cladding was terminated induced the proceeding of metastable phase transformations. For example, γ-phase formation was suppressed in these coatings. In coatings with 8 and 20 at.% Nb (46 and 43% Al respectively) along with ordered with α2, formation of disordered solution of the alloying elements in α-Ti took place. In high-Nb alloys β(B2) phase has undergone the diffusionless transformation to ω’, which is the intermediate phase in β → ω and the coating with the maximum Nb content characterized by appearance of γ1 as a main phase. ω-phase had negative influence to hardness and wear resistance of coatings, however, generally this paremeter increased in 1.3–1.75 times compared to cp-Ti. The high temperature creep and oxidation properties decreased proportionally with increasing Nb and decreasing Al content in the cladded layers.
The improvement potential of ultrafast all-optical switching by soliton self-trapping, using all-solid dual-core fibres with high index contrast, was analyzed numerically. The study of the femtosecond nonlinear propagation was performed based on coupled generalised nonlinear Schrödinger equations considering three fibre architectures: homogeneous cladding all-solid, photonic crystal air-glass, and photonic crystal all-solid. The structural geometries of all three architectures were optimised in order to support high-contrast switching performance in the C-band, considering pulse widths at the 100 fs level. Comparing the three structural alternatives, the lowest switching energies at common excitation parameters (1700 nm and 70 fs pulses) were predicted for the homogeneous cladding dual-core structure. Further optimization of the excitation wavelength and pulse width resulted in lower switching energies and simultaneous improvement of the switching contrasts at the combination of 1500 nm, 75 fs pulses and a fibre length of 43 mm. The spectral aspect in this optimised case expresses a broadband and uniform switching character with a span of over 200 nm and a contrast exceeding 30 dB at more frequency channels.
Structural health monitoring (SHM) is a term that groups together techniques adopted to evaluate in a continued fashion the structural integrity and degradation of technical appliances. SHM is particularly attractive for components that are difficult to access or expensive to take off-line. Among many other techniques, SHM can be performed using ultrasonic guided waves (UGW) which have an advantage of traveling over Long distances. Various guided wave modes exist along with many methods for their generation and sensing, e.g by means of interdigital transducers (IDT). This contribution is dedicated to the design and characterization of a flexible piezopolymerbased IDT which allows for the selective excitation of UGW, resulting in more straightforward data analysis. The designed IDT was characterized using a 3D Laser Doppler Vibrometer (3D LDV) in the air to identify and analyze the IDT’s Vibration modes. Then the transducer was mounted on an aluminum plate, and the generated wavefield was measured with the 3D LDV.
According to this investigation, we demonstrate that it is possible to selectively excite desired guided wave mode, namely the A0 mode, suppressing the excitation of the S0 mode. Moreover, the measured wavefield allows for analysis of the directivity of the designed IDT. All in all the results show good correlation between theoretical predictions and measured values, thus allowing to use the current design in terms of selective excitation as it is.
Ammonium nitrate (AN) prills are commonly used as an ingredient in industrial explosives and in fertilisers. Conventional techniques (such as BET or mercury intrusion porosimetry) can measure the open porosity and specific surface area of AN prill, but the closed porosity is not obtainable. This work was focused on evaluating X-ray computed tomography (XCT) as a non-destructive technique for the assessment of porosity in AN prills. An advanced data processing workflow was developed so that the segmentation and quantification of the CT data could be performed on the entire 3D volume, yet allowing the measurements (e.g.; volume, area, shape factor…) to be extracted for each individual phase (prill, open porosity, closed porosity) of each individual prill, in order to obtain statistically relevant data. Clear morphological and structural differences were seen and quantified between fertiliser and explosive products. Overall, CT can provide a very wide range of parameters that are not accessible to other techniques, destructive or non-destructive, and thus offers new insights and complementary information.
Ammonium nitrate (AN) prills are commonly used as an ingredient in industrial explosives and in fertilisers. Conventional techniques (such as BET or mercury intrusion porosimetry) can measure the open porosity and specific surface area of AN prill, but the closed porosity is not obtainable. This work was focused on evaluating X-ray computed tomography (XCT) as a non-destructive technique for the assessment of porosity in AN prills. An advanced data processing workflow was developed so that the segmentation and quantification of the CT data could be performed on the entire 3D volume, yet allowing the measurements (e.g.; volume, area, shape factor…) to be extracted for each individual phase (prill, open porosity, closed porosity) of each individual prill, in order to obtain statistically relevant data. Clear morphological and structural differences were seen and quantified between fertiliser and explosive products. Overall, CT can provide a very wide range of parameters that are not accessible to other techniques, destructive or non-destructive, and thus offers new insights and complementary information.
Im Laufe des Lebenszyklus einer Brücke kann es erforderlich sein, diese hinsichtlich der Tragfähigkeit neu zu bewerten. Ursächlich hierfür sind beispielsweise sich ändernde Einwirkungen, wie steigende Verkehrslasten oder auch neuere Erkenntnisse, die beim ursprünglichen Bauwerksentwurf noch nicht berücksichtigt wurden. Die aufgeführten Ursachen treten hierbei meisten nach mehreren Jahrzehnten der Nutzung des Bauwerkes auf.
In Deutschland findet eine planmäßige Neubewertung für Brückenbauwerken des Bundes und der Länder auf Basis der im Mai 2011 eingeführten Nachrechnungsrichtline statt. Neben der Neubewertung zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit im laufenden Betrieb ist es insbesondere im Rahmen des Abbruches von Bauwerken wichtig Resttragfähigkeiten beurteilen zu können.
Die Zuverlässigkeit der Berechnungsergebnisse hängt insbesondere von der Anzahl und von der Qualität der einbezogenen Informationen ab. Durch die Anwendung von zerstörungsfreien Prüfmethoden können quantitative Informationen gesammelt werden, die für die Beurteilung der Tragwerke sowohl relevant als auch ausreichend genau sind. Die gemessenen Daten können explizit in probabilistische Berechnungsmodelle für die Nachrechnung einer Brücke einfließen. Dadurch wird das Modell sukzessive an die Realität angenähert — in anderen Worten: "zugeschärft". Die Zuverlässigkeit der Ergebnisse der Nachrechnung steigt.
In diesem Beitrag wird an einem konkreten Beispiel der gegenwärtige Stand von Technik und Forschung für ausgewählte Fragstellungen gezeigt. Im Rahmen der erstellten Abbruchstatik einer vorgespannten Brücke aus Beton wurden Ergebnisse der zerstörungsfreien Prüfung verwendet, um Spanngliedlagen für eine Beprobung zu detektieren. Darüber hinaus wurden die Messergebnisse mit wissenschaftlichen Methoden (Phasenauswertung) ausgewertet, um den Zustand der Verpressung der Spannglieder beurteilen zu können. Weiterhin werden die gewonnenen Messdaten der zerstörungsfreien Prüfung verwendet, um den Nachweis zu erbringen, dass auf deren Grundlage eine zuverlässigere Beurteilung der Tragfähigkeit des Bauwerkes erfolgen kann. Hierfür werden die ersten Ergebnisse der Voruntersuchungen für den Biegenachweis der vorgespannten Brücke präsentiert.
Rund ein Jahr haben DIN und DKE in einem gemeinsamen Projekt mit dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und zusammen mit ca. 300 Fachleuten aus Wirtschaft, Wissenschaft, öffentlicher Hand und Zivilgesellschaft an der Normungsroadmap Künstliche Intelligenz gearbeitet. Eine hochrangige Steuerungsgruppe unter dem Vorsitz von Prof. Wolfgang Wahlster hat die Erarbeitung koordiniert und begleitet.
Ziel der Roadmap ist die frühzeitige Entwicklung eines Handlungsrahmens für die Normung und Standardisierung, der die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Wirtschaft unterstützt und europäische Wertmaßstäbe auf die internationale Ebene hebt.(...)
Bei Industry 4.0 dreht sich alles um Interkonnektivität, sensorgestützte Prozesssteuerung und datengesteuerte Systeme. Prozessanalysentechnik (PAT) wie die Online-Kernresonanzspektroskopie (NMR) gewinnt zunehmend an Bedeutung, da sie zur Automatisierung und Digitalisierung in der Produktion beiträgt. Eine klassische Auswertung von Prozessdaten und deren Umsetzung in Wissen ist jedoch bisher in vielen Fällen aufgrund der unzureichend großen verfügbaren Datensätze nicht möglich oder nicht wirtschaftlich. Bei der Entwicklung eines automatisierten Verfahrens für die Prozesskontrolle stehen manchmal nur die Basisdaten einer begrenzten Anzahl von Batch-Versuchen aus typischen Produkt- und Prozessentwicklungskampagnen zur Verfügung. Diese Datensätze sind jedoch nicht groß genug, um maschinengestützte Verfahren zu trainieren.
Um diese Einschränkung zu überwinden, wurde ein neues Verfahren entwickelt, das eine physikalisch motivierte Multiplikation der verfügbaren Referenzdaten erlaubt, um einen ausreichend großen Datensatz für das Training von maschinellen Lernalgorithmen zu erhalten. Das zugrundeliegende Beispiel einer chemischen Synthese wurde spektroskopisch verfolgt und mit der neuen Methode sowie mit einem physikalisch basierten Modell analysiert, wobei sowohl eine anwendungsrelevante Niederfeld-NMR als auch eine Hochfeld-NMR-Spektroskopie als Referenzmethode verwendet wurde.
Künstliche neuronale Netze (ANNs) haben das Potenzial, bereits aus relativ begrenzten Eingabedaten wertvolle Prozessinformationen abzuleiten. Um jedoch die Konzentration unter komplexen Bedingungen (viele Edukte und weite Konzentrationsbereiche) vorherzusagen, sind größere ANNs und damit ein größerer Trainingsdatensatz erforderlich. Wir zeigen, dass ein mäßig komplexes Problem mit vier Edukten unter Verwendung von ANNs in Kombination mit der vorgestellten PAT-Methode (Niederfeld-NMR-Spektroskopie) und mit dem vorgeschlagenen Ansatz zur Erzeugung aussagekräftiger Trainingsdaten bewältigt werden kann.
Over decades, the German Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) has established a sophisticated calibration laboratory for force, temperature and electrical quantities. Since more than 15 years it is accredited, currently by the national accreditation body (DAkkS), and offers its service also to external entities on a global scale. As a public provider, we are furthermore committed to research and development activities that demand measurements with highest quality and low level of uncertainties. Two R&D examples are highlighted within this contribution.
Die chemische Analyse von Beton gehört bei der Ermittlung des Ist-Zustandes von Stahl- und Spannbetonbauwerken zu den grundlegenden Untersuchungen bei der Zustandserfassung. Der tiefenabhängige Chloridgehalt sowie der Karbonatisierungsfortschritt müssen bei der Bewertung des Ist-Zustandes, beim Instandsetzungsbedarf und ggf. bei der Planung eines erforderlichen Instandsetzungskonzeptes mit einbezogen werden. Seit Mitte der 1990er Jahre wird an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (engl. Laser-induced Breakdown Spectroscopy) – kurz LIBS – stetig für die chemische Analyse von Beton weiterentwickelt. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Forschung/ Technik und der Normungsarbeit präsentiert, sowie zukünftig mögliche Anwendungen vorgestellt. Mit den aktuellen LIBS-Systemen (mobiles LIBS-System sowie kommerziell erhältliche Laborsysteme) ist es möglich den Chloridgehalt ortsaufgelöst in wenigen Minuten zu quantifizieren, sogenannte Elementlandkarten zu erstellen und somit die Elementverteilung innerhalb des Betons zu visualisieren. Durch das Scannen eines Bohrkernquerschnittes und der simultanen Erfassung von mehreren Elementen mit einer Messung, ist es zudem möglich, die Gesteinskörnung in den Messdaten zu identifizieren und den Chloridgehalt auf die Zementsteinmatrix zu beziehen. Fehlerquellen aus der Umrechnung der betonbezogenen Chloridgehalte können dadurch minimiert werden. Neben den Grundlagen von LIBS werden vor allem aktuelle Praxisbeispiele vorgestellt, die die aktuellen Möglichkeiten des Verfahrens veranschaulichen.
Ti-6Al-4V alloy is intensively used in the aerospace industry because of its high specific strength. However, the application of Laser Powder Bed Fusion (LPBF) Ti-6Al-4V alloy for structurally critical load-bearing components is limited. One of the main limiting factors affecting the structural integrity, are manufacturing defects. Additionally, the high cooling rates associated with LPBF process result in the formation of large residual stress (RS) with complex fields. Such RS can cause cracking and geometrical distortions of the part even right after production. Also, the microstructure of LPBF Ti-6Al-4V in the as-built condition is significantly different from that of the conventionally produced alloy. All these factors affect the mechanical behavior of the material. Therefore, to improve the material performance it is important to evaluate the individual effect of RS, defects, and microstructure on fatigue life. To this aim Ti-6Al-4V LPBF material in as-built condition and subjected to different post-processing, including two heat treatments (for stress relief and microstructural modification) and Hot Isostatic Pressing (HIP, for densification), were investigated.
Prior to Low Cycle Fatigue (LCF) tests at operating temperature (300°C), the microstructure (phases, crystallographic texture, and grain morphology), the mesostructure (defect shape and distribution), and subsurface RS on the LCF samples were investigated. It was found that the fatigue performance of HIPped samples is similar to that of conventionally produced Ti-6Al-4V. The tensile RS found at the surface of as-built samples decreased the fatigue life compared to heat-treated samples. Additionally, the modification of the microstructure (by heat treatment) did not affect the fatigue performance in the regime of mostly elastic strain. This shows that in the absence of tensile RS the manufacturing defects solely control the failure of LPBF components and densification has the strongest effect on the improvement of the mechanical performance.
Material qualification for laser powder bed fusion (L-PBF) processes are often based on results derived from additively manufactured (AM) bulk material or small density cubes, although it is well known that the part geometry has a tremendous influence on the heat flux and, therefore, on the thermal history of an AM component. This study shows experimentally the effect of simple geometrical obstructions to the heat flux on cooling behavior and solidification conditions of 316L stainless steel processed by L-PBF. Additionally, it respects two distinct inter layer times (ILT) as well as the build height of the parts. The cooling behavior of the parts is in-situ traced by infrared (IR) thermography during the built-up. The IR signals reveal significant differences in cooling conditions, which are correlated to differences in melt pool geometries. The acquired data and results can be used for validation of computational models and improvements of quality assurance.
Das pulverbettbasierte selektive Laserstrahlschmelzen (engl. laser powder bed fusion, L-PBF) ist die am weitesten verbreitete additive Fertigungstechnologie für die Herstellung metallischer Komponenten. Unter der Vielzahl an Einflussfaktoren auf die Qualität und die mechanischen Eigenschaften von L PBF-Bauteilen hat die Zwischenlagenzeit (engl. inter layer time, ILT) bisher kaum Beachtung in der wissenschaftlichen Literatur gefunden, obwohl sie je nach Bauraumausnutzungsgrad stark variieren kann. In diesem Vortrag werden Ergebnisse einer Studie präsentiert, die den Einfluss der ILT in Kombination mit der Bauteilhöhe und unter Berücksichtigung verschiedener Volumenenergiedichten am Beispiel der austenitischen Stahllegierung AISI 316L untersucht. Die Fertigungsprozesse wurden in situ mittels Thermographiekamera überwacht, sodass Informationen über das Abkühlverhalten der Bauteile während des Prozesses gewonnen werden konnten. Es wurden signifikante Effekte der ILT und der Bauteilhöhe auf Wärmeakkumulation, Mikrostruktur, Schmelzbadgeometrie und Härte festgestellt. Ferner konnte ein Anstieg von Defektdichten bei einem gegenseitigen Wechselspiel aus Bauteilhöhe und ILT aufgezeigt werden. Die Zwischenlagenzeit wurde somit als kritischer Faktor für die L-PBF-Fertigung von Realbauteilen identifiziert.
Material qualification for laser powder bed fusion (L-PBF) processes are often based on results derived from additively manufactured (AM) bulk material or small density cubes, although it is well known that the part geometry has a tremendous influence on the heat flux and, therefore, on the thermal history of an AM component. This study shows experimentally the effect of simple geometrical obstructions to the heat flux on cooling behavior and solidification conditions of 316L stainless steel processed by L-PBF. Additionally, it respects two distinct inter layer times (ILT) as well as the build height of the parts. The cooling behavior of the parts is in-situ traced by infrared (IR) thermography during the built-up. The IR signals reveal significant differences in cooling conditions, which are correlated to differences in melt pool geometries. The acquired data and results can be used for validation of computational models and improvements of quality assurance.
The 5G technology promises real time data transmission for industrial processes, autonomous driving, virtual and augmented reality, E-health applications and many more. The Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) technology is well suited for the manufacturing of microelectronic components for such applications. Still, improvement of the technology such as further miniaturization is required. This study focuses on the characterization of inner metallization of LTCC multilayer modules, especially on the vertical interconnect access (VIA). Critical considerations for this characterization are delamination, pore clustering in and at the edge of the VIA, deformation, and stacking offset. A LTCC multilayer consisting of a glassy crystalline matrix with silver based VIAs was investigated by synchrotron x-ray tomography (CT). The aim of this study is to propose a multitude of structural characteristic values to maximize the information gained from the available dataset. Data analysis has been done with the open source software ImageJ as well as several additional plugins. The high-resolution CT data was evaluated through 2D slices for accessibility reasons. The segmentation of all 2000 slices to assess the different regions e.g. pores, silver and glass ceramic was done by a supervised machine learning algorithm. A quantitative evaluation of shape, deformation, and porosity of the VIA with respect to its dimensions is presented and the suitability of the characterization approach is assessed.
Da Feuchte insbesondere in Form von Flüssigwasser ein hohes Schadenspotential für Baustoffe und Konstruktionen darstellt, finden zerstörungsfreie Verfahren wie die Kernspinresonanz (NMR) zunehmend Einsatz im Bauwesen. Auch wenn zur qualitativen Lokalisierung möglicher Schad- und Risikostellen bereits zahlreiche zerstörungsfreie Verfahren in der Praxis Anwendung finden, so besteht beispielweise bei der Porenraumcharakterisierung und dem Verständnis von Feuchtetransportmechanismen weiterhin Forschungsbedarf. Eine besondere Herausforderung stellt in diesem Zusammenhang die (ortsaufgelöste) Erfassung und Quantifizierung von Feuchteverteilungen bei Teilsättigung dar.
Mittels 1H-NMR lassen sich der Wassergehalt sowie die Relaxationszeiten der Wasserstoffprotonen in Abhängigkeit von ihrer Bindungsart und der Porenumgebung messen. In vollgesättigten porösen Baustoffen kann somit das NMR-Signal als Porengrößenverteilung interpretiert werden. Da aber in der Praxis nur selten bis nie vollgesättigte Zustände vorliegen, befasst sich eine laufende Forschungsarbeit mit dem Verständnis der NMR-Signale teilgesättigter Porensysteme, die teilweise multimodale Porengrößenverteilungen aufweisen.
Im Rahmen dieser Arbeit werden insgesamt 19 Sandsteine aus Deutschland, Tschechien und Italien sowohl im voll- als auch im teilgesättigten Zustand mit NMR untersucht. Definierte teilgesättigte Zustände werden durch Aufsättigen der Proben in Exsikkatoren mit verschiedenen relativen Luftfeuchten (z. B. 33 %, 75 %, 96%) erzeugt. Die Regulierung der Luftfeuchten erfolgt mit Hilfe von gesättigten Salzlösungen. Als Ergebnis wird die Veränderung der Signalamplitude und der T2-Relaxationszeitenverteilungen in Abhängigkeit von dem Feuchtezustand näher betrachtet. Des Weiteren erfolgt die Berechnung des Flüssigwasseranteils bzw. der adsorbierten Wasserfilmdicke einzelner Poren aus der mit Quecksilberporosimetrie bestimmten Porengrößenverteilung und der Annahme einer Porengeometrie (z.B. Schlitz-, Zylinderpore, etc.). Am Ende dieser Arbeit soll der Zusammenhang des NMR-Signals (Amplitude und Relaxationszeiten) mit dem Porensättigungsgrad in einem Porensystem mit multimodaler Porengrößenverteilung bei Teilsättigung aufgezeigt werden.
Die Porosität sowie die Porengrößenverteilung (PSD) eines Baustoffs sind wichtige petrophysikalische Eigenschaften, die Transportprozesse im Material beeinflussen und im direkten Zusammenhang mit der Schadensanfälligkeit stehen (Frost-Tau-Schäden, Schäden durch Salzeinträge und sauren Regen). Verfahren zur Ermittlung der Porosität stellen die Quecksilberporosimetrie (MIP), das Prinzip der Tauchwägung nach Archimedes (triple weighing method, TWM) und die Nuklear Magnetische Resonanz (NMR) dar.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist der Vergleich der drei Methoden für die Porositätsbestimmung. Als Untersuchungsmaterial wurde Sandstein gewählt. Als Baustoff wird Sandstein trotz einer teilweise geringen Festigkeit, aber aufgrund seiner Farbvielfalt häufig für Kulturbauten, Gehwegmaterial und Fassaden eingesetzt. Sandsteine weisen zudem meist eine hohe effektive Porosität (bis zu ca. 30 %) und teilweise breite Porengrößenspektren auf, wodurch Feuchte- und Ioneneinträge begünstigt werden und zu z. B. langfristigen Verfärbungen an Sandsteinfassaden führen können.
Im Rahmen dieser Arbeit werden die Porositäten von 10 verschiedenen Sandsteinen aus Deutschland und Tschechien bestimmt. Für die Untersuchungen mittels TWM und NMR wurden für jede Sandsteinart zwei zylinderförmige Proben unter Unterdruck mit Leitungswasser aufgesättigt. Beim Vergleich der Verfahren liegt der Fokus insbesondere auf NMR und der verwendeten Gerätetechnik, die mit einer minimalen Echozeit von 50 µs ein Wasserstoffsignal in Sandsteinen aus bis zu ca. 2 nm kleine Poren erfassen kann. Darüber hinaus wird das Auflösungsvermögen von MIP und NMR bezüglich der Poren- bzw. Poreneingangsgrößen diskutiert. Für den Vergleich von NMR und MIP werden an ausgewählten Sandsteinproben ebenfalls die zusätzlich ermittelten PSD in Korrelation zueinander gebracht.
Erste Ergebnisse zeigen eine gute Korrelation von NMR- und TWM-Daten, aber teilweise starke Abweichungen zu den mit MIP bestimmten Porositäten. Ergebnisse zu den PSD zeigen teilweise nahezu identische Kurvenverläufe. Jedoch ist die Abschätzung des Umrechnungsfaktors für die NMR-Daten ohne Hinzuziehen von zusätzlichen Referenzverfahren wie Röntgen-Computer-Tomographie oder Spektral Induzierte Polarisation teilweise sehr schwierig.
Prediction of dynamic effects of reinforced concrete structures under impact loading is a technical challenge. This is a consequence of the great variability of the physical properties resulting from the wide adaptability of reinforced concrete and a consequence of the wide range of impact loading. Experiments and numerical investigations are normally used on a small scale to address the problem. In this paper, impact tests on reinforced conrete plates with the lateral dimensions of 1.5 m x 1.5 m and a thickness of 30 cm are presented. In bending reinforcement, besides the velocity two properties are varied, the diameter and the spatial distribution of the rebars. Experiments are performed at the Otto-Mohr-Laboratory of the Institute of Concrete Structures of the Technische Universit¨at Dresden. Due to the accelerated fall of the impactor the velocity ranges between 20 and 70 m/s. In addition to the measured quantities such as bearing forces, accelerations are also measured at 4 different positions on and under the plate, as well as the deflection at several positions. The measured data are used for the analysis of the damage form and the numerical examinations with the program Ansys Autodyn and the material model after Drucker-Prager. Numerical investigations support the tests, with detailed analysis of individual effects. These numerical computations and the planar tomographic investigations were carried out at BAM in Berlin. With the help of planar tomographic evaluation, the damaged structure is made visible and compared with the numerical results. Influences of the bending reinforcement are explained on the basis of damage evaluation in the local area and on selected measured values. In addition to the test evaluation, the tomographic and numerical methods are presented.
Planar tomography and numerical analysis for damage characterization of impact loaded RC plates
(2020)
The damage analysis of reinforced concrete (RC) is of high interest for reasons of effective maintenance and structural safe-ty of buildings. The damage structures of RC plates loaded by an impact were investigated, applying X-ray planar tomogra-phy and finite element method (FEM). Planar tomography allows getting three-dimensional information of the RC elements and the damage including crack, spalling and scabbing. The FEM model validated on the tomography data justifies the appli-cation for further predictions of the damage description. In this study, we investigated concrete plates of three different thick-ness subjected to impacts at different low- and medium-velocity, whereby the used impactor had a flat tip, which resulted in small penetrations on the front side and scabbing on the rear side. In order to quantify the damage, the damage volume and its distribution through the plate were computed and the correlations between degree of damage and impact velocity were found out.
Prediction of dynamic effects of reinforced concrete structures under impact loading is a technical challenge. This is a consequence of the great variability of the physical properties resulting from the wide adaptability of reinforced concrete and a consequence of the wide range of impact loading. Experiments and numerical investigations are normally used on a small scale to address the problem. In this paper, impact tests on reinforced conrete plates with the lateral dimensions of 1.5 m x 1.5 m and a thickness of 30 cm are presented. In bending reinforcement, besides the velocity two properties are varied, the diameter and the spatial distribution of the rebars. Experiments are performed at the Otto-Mohr-Laboratory of the Institute of Concrete Structures of the Technische Universit¨at Dresden. Due to the accelerated fall of the impactor the velocity ranges between 20 and 70 m/s. In addition to the measured quantities such as bearing forces, accelerations are also measured at 4 different positions on and under the plate, as well as the deflection at several positions. The measured data are used for the analysis of the damage form and the numerical examinations with the program Ansys Autodyn and the material model after Drucker-Prager.
Numerical investigations support the tests, with detailed analysis of individual effects. These numerical computations and the planar tomographic investigations were carried out at BAM in Berlin. With the help of planar tomographic evaluation, the damaged structure is
made visible and compared with the numerical results. Influences of the bending reinforcement are explained on the basis of damage evaluation in the local area and on selected measured values. In addition to the test evaluation, the tomographic and numerical methods are presented.
Der Vortrag gibt Beispiele dafür, wie Drohnen sinnvoll im zivilen Bereich eingesetzt werden können. Insbesondere werden die Lokalisierung von Gasemissionsquellen und die Erstellung von Gasverteilungskarten vorgestellt.
Die Überwachung von Bauteilen aus Stahl- oder Spannbeton mit Ultraschall hat in Labor- und Technikumsversuchen schon vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Besonders gute Resultate wurden dabei mit eingebetteten Ultraschalltrans-ducern und bei Auswertung der Daten mit der hochsensiblen Codawelleninterferometrie erzielt. Erfasst werden können neben Temperatur- und Feuchteeffekten auch Belastungszustände und jegliche Art von Schädigung, die mit Mikro- oder Makrorissbildung einhergeht.
Seit 2019 untersucht die DFG-Forschergruppe 2825 „CoDA“ (Sprecher: Prof. Christoph Gehlen, TU München) ver-schiedenste Aspekte dieser innovativen Technologie mit dem Ziel, Einflussgrößen quantitativ zu erfassen, Umweltein-flüsse zu korrigieren und 3D-Auswerteverfahren zu verbessern. Final soll eine am Bauwerk einsatzfähige Methode ent-stehen, die klassische Monitoringverfahren ergänzt und erweitert sowie Input zu einem Update des statischen Systems liefert.
Aufgaben der BAM in der Forschergruppe ist neben Verbesserung und Adaptierung der Messsystem und Sensorik auch Langzeitversuche an einem Großobjekt und Testinstallationen an Realbauwerken. Hierzu liegen erste Ergebnisse vor, die zeigen, dass die Technologie auch außerhalb des Labors einsatzfähig ist.
Recent years have seen extended use of ultrasonic techniques for concrete infrastructure assessement. They are applied for quality assurance and condition assessement at bridges, power plants, dams and other important objects. However, there are still a couple of significant limitations. They include, but are not limited to depth of penetration, imaging complex structures or early stage detections of distributed damage. The talk will give information on recent research in this area. Specifically, the application of the unique deep penetration system LAUS is shown. Ultrasonic monitoring using embedded transducers to check for subtle and sudden changes in the material is introduced as well. Comments on initiatives for validation, standardization and certification will be given.
Die Überwachung von Bauteilen aus Stahl- oder Spannbeton mit Ultraschall hat in Labor- und Technikumsversuchen schon vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Besonders gute Resultate wurden dabei mit eingebetteten Ultraschalltrans-ducern und bei Auswertung der Daten mit der hochsensiblen Codawelleninterferometrie erzielt. Erfasst werden können neben Temperatur- und Feuchteeffekten auch Belastungszustände und jegliche Art von Schädigung, die mit Mikro- oder Makrorissbildung einhergeht.
Seit 2019 untersucht die DFG-Forschergruppe 2825 „CoDA“ (Sprecher: Prof. Christoph Gehlen, TU München) ver-schiedenste Aspekte dieser innovativen Technologie mit dem Ziel, Einflussgrößen quantitativ zu erfassen, Umweltein-flüsse zu korrigieren und 3D-Auswerteverfahren zu verbessern. Final soll eine am Bauwerk einsatzfähige Methode ent-stehen, die klassische Monitoringverfahren ergänzt und erweitert sowie Input zu einem Update des statischen Systems liefert.
Aufgaben der BAM in der Forschergruppe ist neben Verbesserung und Adaptierung der Messsystem und Sensorik auch Langzeitversuche an einem Großobjekt und Testinstallationen an Realbauwerken. Hierzu liegen erste Ergebnisse vor, die zeigen, dass die Technologie auch außerhalb des Labors einsatzfähig ist.
To better understanding the failure of adhesive joints tensile tests were carried out on miniature test specimens from Norway spruce in the synchrotron. Urea-formaldehyde resin was used as adhesive. e. For comparison purposes, tensile tests were carried out on solid wood and on bonded miniature tensile shear samples with acoustic emission. The acoustic emission signals of all the experiments occurred with classified pattern recognition. This resulted in two classes of signals for each two frequency peaks. One class consisted of the low-frequency and the other of the higher-frequency peak of higher intensity, but this was essentially independent from the structure (solid wood or plywood) and size scale of the test specimens. The influence of the adhesive layers was determined on wood test specimens on laboratory scale and on miniature test specimens with an adhesive layer and selected fiber orientations. This gave evidence that the sound emission signals from the failure of the adhesive layer presumably of the class with low frequency signals peak in the range of services can be assigned.
Intensified Alkali-Silica Reaction (ASR) damage has occurred on German roadways in recent years, leading to requirements for compulsory pre-construction investigation of aggregate alkali sensitivity using concrete tests with external alkali supply. However, since these tests are time-consuming and cost-intensive, there is interest in replacing them with a solubility test on pure aggregate in 0.1 M KOH solution at 80°C with a defined NaCl content (1wt.-%). In this context, the influence of aggregate pore structure on SiO2 and Al2O3 solubility was investigated in this project. This paper compares the results of porosity studies with X-ray Computed Tomography (3D-CT) and the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method on individual quarried and river gravel granules of both rhyolite and greywacke. For visualization and quantification of both externally accessible and fully enclosed surfaces of granules using X-ray 3D-CT, special software tools were developed. The results demonstrated that the river gravel granules had significantly larger externally accessible surfaces than the quarried granules. BET measurements on individual stones showed, as expected, that measured surfaces were about three orders of magnitude larger than those from the X-ray 3D-CT analyses due to the higher spatial resolution of BET. There was no apparent correlation between the X-ray 3D-CT and BET surface areas. Mercury porosimetry measurements indicate that this may be due to the presence of significant porosity below the spatial resolution of the X-ray 3D-CT. A comparison of SiO2 and Al2O3 solubility measurements with the X-ray 3D-CT and BET surface area data resulted only in weak, inconclusive correlations, indicating the need for further experimental investigation.
Das Thema Wasserstoff ist an der BAM seit mehr als hundert Jahren aktuell und steht auch gegenwärtig im Zentrum zahlreicher Forschungs- und Kooperationsaktivitäten. Mit der aktuellen Wasserstoff-Strategie der BAM werden wichtige Voraussetzungen dafür geschaffen, dass der Markthochlauf gelingt und die technische Sicherheit und Überwachung der Infrastrukturen und Anlagen gewährleistet ist – von der Erzeugung, über den Transport bis zur Speicherung und Bereitstellung von Wasserstoff als Energieträger der Zukunft.
Lichtbogenbasierte Schweißverfahren wie das Metallschutzgasschweißen (MSG) zählen zu den Standardverfahren der Fügetechnik und werden in vielen Industriebereichen automatisiert unter Verwendung von Industrierobotern eingesetzt. Dabei können Schweißnahtabweichungen auftreten, die aus Änderungen der Prozessrandbedingungen und der hohen Prozessdynamik resultieren. Hier ist die Kontrolle von Schmelzbad- und Schweißnahtgeometrie für die Sicherung der Nahtqualität bedeutsam. Durch den Einsatz optischer Sensorsysteme können mit hoher zeitlicher Auflösung in-situ Informationen des Prozesszustands ermittelt werden. Dabei stellen die rauen Prozessbedingungen und die hohe Strahlungsintensität des Lichtbogens eine Herausforderung für die optischen Komponenten dar. Forschungsarbeiten am Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen haben gezeigt, dass durch den Einsatz einer HDR-Kamera in Kombination mit einer strukturierten Laserbelichtung gezielt geometrische Informationen des Lichtbogens und des Schmelzbads aus den Prozessaufnahmen gewonnen werden können. In dieser Arbeit wird eine parallele Schweißnaht- und Schmelzbadbeobachtung durchgeführt, wobei geometrische Informationen durch die Anwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen extrahiert werden. Dabei wird ein nachlaufendes Sensorsystem eingesetzt, welches aus einer HDR-Kamera und einer Laserbeleuchtung besteht. Es werden diffraktive optische Elemente (DOE) zur Erzeugung von verschiedenen Laserprojektionsmustern verwendet, um sowohl eine unidirektionale als auch eine multidirektionale Prozessbeobachtung durchführen zu können. Aus den geometrischen Informationen werden Kenngrößen berechnet, anhand derer der Prozesszustand beurteilt werden kann. Es zeigt sich, dass anhand der Kenngrößenverläufe Abweichungen in der Schweiß- und Schmelzbadgeometrie und Positionierungsfehler des Roboters identifiziert werden können.
Online quality control of security relevant parts manufactured by Laser Powder Bed Fusion (LPBF) remains to be a challenge due to the highly complex process conditions. Furthermore, the influence of characteristic scan strategy parameters is not sufficiently clarified yet due to the commonly used method of single-track investigations. In this contribution, this topic is addressed by observing large 316L volume sections using in-situ melt pool monitoring by thermography in high temporal and spatial resolution. In detail, the influence of the scan angle on the melt pool geometry is investigated on. Characteristic melt pool features are extracted from the image data and analyzed using statistical methods data for altering scan angles. The results show significant changes in the melt pool dimensions and temperature distribution over the scan angle rotation. A first explanation approach is presented that connects the observed changes to phenomena of beam attenuation by metal vapor plume.
Lichtbogenbasierte Schweißverfahren wie das Metallschutzgasschweißen (MSG) zählen zu den Standardverfahren der Fügetechnik und werden in vielen Industriebereichen automatisiert unter Verwendung von Industrierobotern eingesetzt. Dabei können Schweißnahtabweichungen auftreten, die aus Änderungen der Prozessrandbedingungen und der hohen Prozessdynamik resultieren. Hier ist die Kontrolle von Schmelzbad- und Schweißnahtgeometrie für die Sicherung der Nahtqualität bedeutsam. Durch den Einsatz optischer Sensorsysteme können mit hoher zeitlicher Auflösung in-situ Informationen des Prozesszustands ermittelt werden. Dabei stellen die rauen Prozessbedingungen und die hohe Strahlungsintensität des Lichtbogens eine Herausforderung für die optischen Komponenten dar. Forschungsarbeiten am Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen haben gezeigt, dass durch den Einsatz einer HDR-Kamera in Kombination mit einer strukturierten Laserbelichtung gezielt geometrische Informationen des Lichtbogens und des Schmelzbads aus den Prozessaufnahmen gewonnen werden können. In dieser Arbeit wird eine parallele Schweißnaht- und Schmelzbadbeobachtung durchgeführt, wobei geometrische Informationen durch die Anwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen extrahiert werden. Dabei wird ein nachlaufendes Sensorsystem eingesetzt, welches aus einer HDR-Kamera und einer Laserbeleuchtung besteht. Es werden diffraktive optische Elemente (DOE) zur Erzeugung von verschiedenen Laserprojektionsmustern verwendet, um sowohl eine unidirektionale als auch eine multidirektionale Prozessbeobachtung durchführen zu können. Aus den geometrischen Informationen werden Kenngrößen berechnet, anhand derer der Prozesszustand beurteilt werden kann. Es zeigt sich, dass anhand der Kenngrößenverläufe Abweichungen in der Schweiß- und Schmelzbadgeometrie und Positionierungsfehler des Roboters identifiziert werden können.
Komposit-Druckgefäße für den Gefahrguttransport sowie für Wasserstoff-und Erdgasfahrzeuge bestehen aus einem lasttragenden Komposit und einer gasdichten, metallischen oder polymeren Barriereschicht (Liner).
Zur Untersuchung der Integrität der Druckflaschen wurde die Wirbelstromprüfung eingesetzt. Hierbei wurden verschiedene Frequenzbereiche angewendet, um so die unterschiedlichen Materialien untersuchen zu können. Ziel der Untersuchungen war es, alterungsbedingte Schädigungen rechtzeitig zu detektieren. Der Vortrag stellt diese Ergebnisse vor.
Im Rahmen der Integritätsbewertung einer zementierten 13 3/8" Rohrtour einer Sole-Produktionsbohrung wurden erstmals 2018 zeitgleich faseroptische Temperaturmessungen (DTS) und faseroptische Akustikmessungen (DAS) durchgeführt und ausgewertet. Dazu wurde die Bohrung zeitweise mit Stickstoff bespannt und wieder entlastet.