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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.
Active thermography is an efficient non-destructive testing method for investigating the internal structure of larger carbon fiber reinforced plastic (CFRP) components as well as smaller CFRP components in mass customization. The method can be applied contactless and automated. This study contains systematic investigations of CFRP structures with typical defects and inhomogeneities occurring during production by means of flash thermography in reflection and transmission configuration and by computed tomography (CT). The latter one was used as a reference method, since also very small defects at larger depth can be visualized with high spatial resolution. The CFRP structures consist of plates which contain metallic and non-metallic inclusions, contaminations with glue or wax rests, areas with inhomogeneous re-injection of dry parts, fiber misalignments, and fiber damages. Further on, two specimens have been glued together with different artificial inhomogeneities of the four glue beads. The results of the applied methods are compared and the advantages and disadvantages of each configuration are discussed based on the detectability of the inhomogeneities. It is shown that although CT has led to best contrasts and spatial resolutions in displaying the inhomogeneities and inclusions, flash thermography is very well suited to detect most of these structures. Considering that flash thermography can be applied on-site and has a high potential for automation and for a fast and efficient testing, it can be highly recommended for quality assurance during and after production of CFRP structures.
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.
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.
Eine Arbeitsgruppe der BAM in der Abteilung für Zerstörungsfreie Prüfung forscht seit 2011 an verschiedenen technischen Fragestellungen, die sich aus dem thermografischen Lösungsansatz ergeben. Zum Beispiel werden spezielle Prüfkörper aus GFK im Labor unter dem Gesichtspunkt untersucht, inwieweit (materielle) innere Strukturen und äußerlich nicht sichtbare Schäden mit Thermografie offenbart werden können. Hierbei werden verschiedene Anregungs- und Auswertungstechniken auf ihre Eignung für diese Problemstellung untersucht. Der folgende Beitrag erläutert einige technische Schwierigkeiten bei der praktischen Anwendung der geplanten Inspektionsmethode und stellt einen erfolgversprechenden Lösungsansatz vor.
Der Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Kernforschungszentrums CERN ist einer der weltweit größten und leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger. Um den Teilchenstrahl auf seiner Kreisbahn zu halten, werden mit Hilfe supraleitender Spulen sehr starke Magnetfelder erzeugt. Die hierzu benötigten hohen Ströme werden über Verbunddrähte aus Niob-Titan und Kupfer geleitet.
Die Drähte werden u.a. durch Ultraschallschweißungen miteinander verbunden. Eine mangelhafte Verbindung kann zur Erwärmung der Kontaktstelle und in Folge davon zum Zusammenbruch der Supraleitung führen. Auf Anfrage des CERN wurden an der BAM Untersuchungen zur Prüfbarkeit solcher Verbindungen bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Es gelang, für einen Verbindungstypen einen Wirbelstromsensor für eine manuelle Prüfung zu entwickeln. Ein Prototyp des Sensors befindet sich beim CERN in der praktischen Erprobung. Das Sensorprinzip sowie Prüfergebnisse aus Labor und Praxis werden vorgestellt.
Lockin thermography as well as flash thermography are very well suited for non-destructive testing and characterisation of inhomogeneities and damage in CFRP structures. Both methods are applied more and more in research and industry, but until know it is not clear which are the advantages of one method against the other. In
this paper, results of two research projects concerning the validation and standardisation of both methods are presented. Three different types of CFRP test specimens consisting of well-defined flat bottom holes, of artificial delaminations made of PTFE plates embedded in CFRP and of real impact damage have been investigated systematically with flash and lockin excitation. Here, the phase images of both methods are compared qualitatively as well as quantitatively.
Weltweit errichtet man zunehmend Offshore-Windkraftanlagen (WKA). Diese auf hoher See errichteten WKA benötigen geeignete Wartungs- und Instandhaltungskonzepte. Bestehende Konzepte aus dem Landbereich geraten unter Offshore-Bedingungen an ihre Grenzen oder lassen sich überhaupt nicht anwenden, daher müssen neue Ansätze erprobt werden. Im Rahmen des BMBF geförderten Forschungsprojektes "IKARUS" ist das Potential der (berührungslosen) thermografischen Fernerkundung zur Zustandsüberwachung der Rotorblätter von WKA zu untersuchen.
Veränderungen der Umgebungsbedingungen wie z.B. solare Einstrahlung oder der Tagestemperaturgang führen zu veränderlichen Energieeinträgen in ein Objekt, die beim Vorhandensein von Inhomogenitäten im Material oder Strukturmerkmalen thermische Signaturen hervorrufen können. Ebenso können Veränderungen der Witterungsbedingungen dazu führen, dass bereits vorhandene thermische Signaturen wieder ausgelöscht werden. Daher ist es unbedingt notwendig, systematische Langzeitmessungen bei verschiedenen Umgebungsbedingungen durchzuführen, um Fehlinterpretationen zu vermeiden.
In diesem Beitrag wird anhand von Laborversuchen und Simulationen zunächst die grundsätzliche Eignung des thermografischen Ansatzes für glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), aus denen die Außenhüllen der Rotorblätter gefertigt sind, demonstriert. Hierbei werden unterschiedliche Arten von Defekten an GFK vorgestellt, die zu thermischen Signaturen an Rotorblättern führen können. Anschließend werden Zwischenergebnisse aus einem laufenden Langzeitversuch zu einem demontierten Rotorblattsegment vorgestellt, welches unter verschiedenen Witterungsbedingungen und zu verschiedenen Tages- und Jahreszeiten thermografisch beobachtet wurde.
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.
Flash lamps are widely used excitation sources in the field of non-destructive testing with active thermography. Though the realized energy density in front of the investigated object is a significant factor with regard to detection sensitivity, only few data concerning this issue have been published so far. It is shown here that local energy densities can be estimated by means of a simple metal plate, which exhibits a certain temperature increase after flash excitation. After discussing the underlying calorimetric principle the sensor concept is reviewed using constant blackbody radiation and short laser pulses, since both kinds of sources generate known energy densities. The relative uncertainty of measurements of the energy density is found to be in the range of 10%. The last part of the present paper describes an application for characterizing the radiation of a usual 6 kJ flash lamp. The energy conversion efficiency was found to be only about 11%.
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.