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In dem von der Forschungsinitiative Zukunft Bau geförderten Projekt
zur „3D Kartierung von Bauwerksoberflächen“ wurden Verfahren zur Ortung von Rissen und Rissverläufen an historischen Gebäuden und Skulpturen weiterentwickelt und optimiert. Diese neuen Entwicklungen zur effizienten 3D Erfassung, Darstellung und zum Monitoring von Rissen basieren auf der aktiven Thermografie, einem Trackingsystem und Ultraschall.
Systematische Untersuchungen zur Zuverlässigkeit und zu Messgenauigkeiten der Messverfahren im Labor wurden durch den kombinierten Einsatz der Verfahren an Skulpturen aus historischem Beton an der Giebichensteinbrücke in Halle ergänzt.
In diesem Beitrag werden Verfahren und Strategien basierend auf optischen und thermografischen Methoden zur Lokalisierung, Erfassung und Bewertung von Putzablösungen, Ablösungen von Fassadenelementen und Rissen vorgestellt. Abgelöste Fassadenbereiche und Risse zeigen dabei sowohl geometrische als auch thermische Auffälligkeiten, die im Rahmen eines Monitoring auch über größere Zeiträume verfolgt werden können. Als optische Verfahren werden die trackingbasierte taktile 3D‐Erfassung von Oberflächenmerkmalen und die Stereophotogrammetrie eingesetzt. Zur Charakterisierung verdeckter Ablösungen und Bauteile wird die aktive Thermografie mit natürlicher und künstlicher Erwärmung der Bauteiloberfläche verwendet. Systematische Untersuchungen an Probekörpern und Fallstudien (Magdeburger Dom, Wandbild in Cobbelsdorf, Giebichensteinbrücke) zeigen, wie u. a. mit der Verfahrenskombination die Schäden charakterisiert werden können.
Die messtechnische Erfassung von Bauwerkschäden ist eine wichtige Voraussetzung für die dreidimensionale und zeitaufgelöste Darstellung von möglicherweise sicherheitsrelevanten Veränderungen an Bauwerken, wie z. B. Verformungen, Verwindungen und Risswachstum. Ziel des vorgestellten Projektes war die Entwicklung eines Verfahrens zur effizienten und wiederholbaren 3D-Schadenkartierung an zum Teil empfindlichen Bauteiloberflächen.
Anwendungsbreiche und Grenzen der Blitzthermografie - Entwicklung eines anwendungsnahen Standards
(2012)
Aktive Thermografie mit Lockin-Anregung ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, das insbesondere auch die Prüfung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen ermöglicht. Um eine Standardisierung dieses Verfahrens voranzubringen, wurden im Rahmen eines Forschungsprojektes umfangreiche Untersuchungen zur Validierung des Verfahrens durchgeführt. Für die Anregungsmethoden optisch und Ultraschall wurden die wichtigsten Parameter systematisch untersucht. Auf der Auswertungsseite ist dies z.B. der Einfluss der spektralen Empfindlichkeit verschiedener Kamerasysteme. Für die Anregungen sind unter anderem die Einflüsse von Anregungsenergie und Ultraschallfrequenz untersucht worden. Auch Materialparameter, wie der Lagenaufbau bei CFK-Probekörpern, beeinflussen die Ergebnisse stark.
Larger high pressure die castings (HPDC) and decreasing wall thicknesses are raising the issue of casting defects like pores in aluminum structures. Properties of components are often strongly influenced by inner porosity. As these products are being established more and more in lightweight construction (e.g. automotive and other transport areas), non-destructive testing methods, which can be applied fast and on-site, are required for quality assurance. In this contribution, the application of active thermography for the direct detection of larger pores is demonstrated. The analysis of limits and accuracy of the method are completed by numerical simulation and the method is validated using computed
tomography.
Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) specimens with artificial delaminations and with impact damage have been characterized using active thermography with flash excitation. Systematic investigations have been performed in four different experimental configurations of flash lamps and infrared (IR) camera in transmission as well as in reflection alignment. It is shown here that the diffusivities determined for the sound and for the damaged areas give a good measure for damage characterization. Although reflection measurements also give information about defect depth, reflection measurements from only one side are not sufficient for assessing the whole cross section of the specimens. Thus, depending on sample thickness the lateral size of damage could only be determined from reflections measurements from both sides or from transmission measurements. In this paper, measurement accuracy and limits of flash thermography for the investigation of CFRP specimens are presented in detail together with quantitative data concerning the defects.
Comparison of quantitative defect characterization using pulse-phase and lock-in thermography
(2016)
Using optical excitation sources for active thermography enables a contactless, remote, and non-destructive testing of materials and structures. Currently, two kinds of temporal excitation techniques have been established: pulse or flash excitation, usingmostly flash lamps; and periodic or lock-in excitation, using halogen lamps, LED, or laser arrays. From the experimental point of view, both techniques have their advantages and disadvantages. Concerning the comparison of the testing results of both techniques, only very few studies have been performed in the past. In this contribution, the phase values obtained at flat bottom holes in steel and CFRP and the spatial resolution measured at crossed notches in steel using flash and lock-in excitation are compared quantitatively.
Lockin thermography is a well-suited method for the characterization of structures made of both metal and fiber reinforced plastic. In most cases, only phase images are analyzed, although the amplitude images might contain useful information as well. Thus, systematic studies of lockin thermography are presented, assessing amplitude and phase images for the detection and quantification of defects in isotropic (steel) and anisotropic (carbon fiber reinforced plastic) materials. Characterized defects are flat bottom holes with different diameters and various remaining wall thicknesses as well as crossed notches at different depths. The excitation frequency was varied while keeping the number of analyzed excitation periods nearly constant for each material. The data analysis was focused on the detectability of the defects both in the amplitude and phase images, including the determination of the signal-to-noise ratio and of the spatial resolution. As a result, the limits of defect detectability and spatial resolution are given for each material
In this contribution, the authors present the results of a project which involves the
development of a testing standard for flash thermography. In addition to the standardization of
the selection of appropriate equipment and procedures for testing and data analysis, the new
standard will provide suitable reference test specimens for several materials, including CFRP
as used in aerospace applications with typical flaws. We will particularly consider these test
specimens which should enable qualification of the equipment as well as the validation of the
flash thermography method for CFRP in general.
Standards for the application of flash thermography as well as of lock-in thermography are urgently required.
Both methods are applied more and more often in research and industry, but still extensive validation procedures are required for each individual application. In this paper, the results of two research projects concerning the validation and standardisation of both methods are presented. This includes results of a detailed study of the influence of measurements parameters on flash thermography, of the comparison of the lateral resolution obtained with flash and lock-in thermography and the description of a draft standard for flash thermography.
Dieser Beitrag fasst die Untersuchungsergebnisse zu den Verfahrensgrenzen der Blitzthermografie zur Ortung und Charakterisierung von Fehlstellen in Metallen zusammen. Regeln zur Abschätzung von Eindringtiefe und Tiefenauflösung werden vorgestellt und überprüft. Weiterhin werden Vorgehensweisen zur Optimierung des Intensitätskontrastes von Fehlstellenanzeigen vorgestellt.
Einfache analytische Abschätzungen werden durch eine Vielzahl von experimentellen Untersuchungen an Kupfer- und Stahl-Probekörpern ergänzt. Dabei wurden sowohl die Parameter der Blitzlichtanregung als auch der Messwerterfassung umfassend variiert.
We present a systematic study on the performance of laser-thermography for the detection of surface cracks in metallic components. Scanning a metallic surface with laser causes local heating that is mapped simultaneously by an IR-camera and allows identifying cracks with sub-µm openings. The detectability, however, depends on a number of acquisition parameters (e.g. scanning speed, laser power, IR-camera resolution) that typically relate on each other. Most importantly, the detection-sensitivity of surface breaking cracks is given by a particular combination for the acquisition parameter values. As a result, this sensitivity is adaptable within wide ranges allowing the detection of cracks with openings ranging from 200 to 0.1 µm at testing speeds of 100 to 0.05 cm²/s. By examining artificial as well as fatigue cracks, we demonstrate that the method can be even applied to shiny surfaces with no need of pretreatments, which makes it an entirely contactless, remote and automatable NDT technique. A comparison with magnetic particle testing shows that laser-thermography has the potential to become a strong competitor to conventional surface inspection methods in the future.
Thermografische ZfP-Verfahren erlauben die Erkennung einer Vielzahl von Defekten in unterschiedlichsten Werkstoffen. Neue Ansätze unter Verwendung von Lasern ermöglichen darüber hinaus die Prüfung auf Oberflächenrisse. Wir stellen die neuesten Entwicklungen dieser vielversprechenden Technik vor und zeigen warum deren Einsatz potentiell die Standardprüfverfahren Magnetpulver- bzw. Eindringprüfung für eine Reihe von Prüfproblemen beerben könnte. Hierzu stellen wir die Prüfergebnisse zu unterschiedlichen metallischen Werkstoffen, Rissgrößen und -typen in Abhängigkeit der Prüfparameter vor. Die aktuelle Grenze der Nachweisempfindlichkeit für die mittels klassischer Thermografie schwer prüfbaren hochreflektierenden Metalloberflächen liegt mit Rissbreiten und -tiefen von weni-gen Mikrometern im Bereich der fluoreszierenden Magnetpulver- und Eindringprüfung. Dabei sind weder Verbrauchsmittel noch eine Oberflächenpräparation notwendig und eine Prüfung kann berührungslos und automatisiert über Entfernungen im Meter-Bereich erfolgen.
Monitoring of cracks in historic concrete structures using optical, thermal and acoustical methods
(2015)
Cracks are a major issue in the field of cultural heritage. In order to evaluate the significance of a crack, a long term monitoring of the damaged region is required. However, there is a lack of easy to operate tools for such monitoring measures. Therefore, new or existing methods for other applications have to be optimised for cultural heritage investigation. The paper describes the application of such crack observation methods on a historic concrete sculpture. Beside conventional methods, like mapping by hand and ultrasonic depth profiling, a novel tracking system is presented. Furthermore, the suitability of active thermography for the investigation of cracks was investigated. The results show promising prospects for these non-destructive techniques.
Active thermography with lock-in excitation is a non-destructive testing method that is also feasible for testing of carbon fiber reinforced polymers (CFRP). For validating the method extensive investigations were done during a research project in order to advance a standardization process.
The most important parameters of optical and ultrasonic excitation thermography were investigated. For example, the appropriate selection of spectral sensitivity of the used infrared camera systems is important for recording undisturbed thermal signals. Regarding excitation,
influences of excitation power and ultrasonic frequency were studied. Furthermore, material parameters such as CFRP layup are known for strongly affecting the results of
measurement.
Standardisierung der Lockin-Thermografie: Vorstellung des TNS-Projektes und Auswahl der Probekörper
(2013)
Ziel des Verbundprojektes zwischen der BAM und dem IKT der Universität Stuttgart ist die Festlegung einer einheitlichen Vorgehensweise für die Auswahl der Gerätekomponenten und für die Durchführung von Prüfungen mit der Lockin-Thermografie. Daraus soll ein Standard abgeleitet werden, der die Prüfung
unterschiedlicher Materialsysteme auf Fehlstellen mittels Lockin-Thermografie unter Berücksichtigung verschiedener Anregungsquellen ermöglicht. In diesem Beitrag wird die Entwicklung der Probekörper vorgestellt, die in diesem Projekt untersucht und später als Referenzprobekörper verwendet werden können.
Untersuchung der Auflösungsgrenzen der Lockin-Thermografie zur Prüfung von Faserverbundwerkstoffen
(2014)
Aktive Thermografie mit Lockin-Anregung stellt ein berührungsfreies und zerstörungsfreies Prüfverfahren dar, welches insbesondere auch die Prüfung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen ermöglicht. Um eine Standardisierung dieses Verfahrens voranzubringen, wurden im Rahmen eines Forschungsprojektes umfangreiche Untersuchungen zur Validierung des Verfahrens durchgeführt.
Dabei wurden unter anderem der Einfluss der spektralen Empfindlichkeit verschiedener Kamerasysteme, unterschiedlicher Lagenaufbauten bei CFK-Probekörpern und der Einfluss einer Phasenverschiebung zwischen dem Anregungssignal und der Detektion der Thermografiebilder untersucht.