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This paper discloses two high-sensitivity probes for Eddy Current Nondestructive Test (NDT) of buried and surface defects. These probes incorporate eight and 32 magnetoresistive sensors, respectively, which are optimized for high sensitivity and spatial resolution. The signal processing and interfacing are carried out by a full-custom application-specific integrated circuit (ASIC). The ASIC signal chain performs with a thermal input-referred noise of 30 nV/√Hz at 1 kHz, with 66 mW of power consumption, in a die with 3.7 × 3.4 mm 2 . NDT results are presented, showing that there is an increase in spatial resolution of surface defects when contrasted to prior art, enabling the probes to resolve defects with diameters of 0.44 mm, pitches of 0.6 mm, and minimum edge distance as low as 0.16 mm. The results also show that the probe for buried defects is a good all-round tool for detection of defects under cladding and multiple-plate flat junctions.
Sicherheitsrelevante und zyklisch hoch belastete Bauteile erfordern zur Vermeidung von kostenintensiven Ausfällen besonders stabile Prozessparameter. Bereits sehr kleine Randzonenfehler können unter zyklischer Bauteilbelastung zu Risswachstum und letztendlich zum Bauteilversagen führen. Die frühzeitige Erkennung von Randzonenfehler in Hochleistungsbauteilen wie z.B. Zahnräder, Ritzelwellen und Kurbelwellen erfordert daher eine leistungsfähige zerstörungsfreie Oberflächenrissprüfung, die es ermöglicht in den hochbeanspruchten Funktionsflächen auch Härterisse, Schleifrisse oder Zundereinschlüsse zu detektieren.
Hierzu sind in den letzten Jahren einige neue, innovative Oberflächenprüfverfahren wie die laserangeregte Thermografie und die Streuflussprüfung mit hochauflösenden GMR-Sensoren oder magnetooptischen Verfahren entwickelt worden. Zusätzlich zur hohen Empfindlichkeit zeichnen sich diese innovativen Verfahren durch einen schnellen und teils auch berührungslosen Einsatz aus. Da die noch relativ neu-en Verfahren naturgemäß noch nicht normativ verankert sind, wurden auch bereits erste Validierungen durchgeführt. Um die Leistungsfähigkeit der Verfahren eingehend zu untersuchen, erfolgten Testreihen an verschiedenen Testkörpern in Bezug auf Ortsauflösung, Empfindlichkeit, Automatisierung und Bewertung der Messsig-nale.
Neben den neuen Verfahren und ihren ersten Schritten hin zur Validierung kamen als Referenz auch die „klassischen“ Verfahren der Magnetpulver- und Wirbelstromprüfung zum Einsatz, deren Leistungsfähigkeit durch angepasste Sondenentwicklung auch für sehr kleine Oberflächendefekte nochmals unter Beweis gestellt wurde. Zusätzlich wurde an einigen Testkörpern eine hochauflösende CT durchgeführt. Die Ergebnisse dieses Vergleiches werden vorgestellt und Möglichkeiten sowie Grenzen der einzelnen Verfahren herausgearbeitet.
The use of composite pressure vessels instead of conventional vessels made of steel or aluminum grew strongly over the last decade. The reason for this trend is the tremendous weight saving in case of composite vessels. However, the long-time behavior is not fully understood for filling and discharging cycles and creep strength and their influence on the CFRP coating (carbon fiber reinforced plastics) and the internal liner (steel, aluminum, or plastics). The CFRP ensures the pressure resistance while the inner liner is used as container for liquid or gas. To overcome the missing knowledge of ageing BAM started an internal project to investigate degradation of these material systems. Therefore, applicable testing methods like eddy current testing are needed. Normally, high-frequency eddy current testing (HF-ET, f > 10 MHz) is deployed for CFRP due to its low conductivity of the fiber, which is in the order of 0.01 MS/s, and the capacitive coupling between the fibers. Nevertheless, in some cases conventional ET can be applied. We show a concise summary of studies on the application of conventional ET of composite pressure vessels.
Additive manufacturing (AM) technologies, generally called 3D printing, are widely used because their use provides a high added value in manufacturing complex-shaped components and objects. Defects may occur within the components at different time of manufacturing, and in this regard, non-destructive techniques (NDT) represent a key tool for the quality control of AM components in many industrial fields, such as aerospace, oil and gas, and power industries. In this work, the capability of active thermography and eddy current techniques to detect real imposed defects that are representative of the laser powder bed fusion process has been investigated. A 3D complex shape of defects was revealed by a μCT investigation used as reference results for the other NDT methods. The study was focused on two different types of defects: porosities generated in keyhole mode as well as in lack of fusion mode. Different thermographic and eddy current measurements were carried out on AM samples, providing the capability to detect volumetric irregularly shaped defects using non-destructive methods.
Heterodyne Eddy Current Testing Using Magnetoresistive Sensors for Additive Manufacturing Purposes
(2020)
In recent years additive manufacturing technologies have become widely popular. For complex functional components or low volume production of workpieces, laser powder bed fusion can be used. High safety requirements, e.g. in the aerospace sector, demand extensive quality control. Therefore, offline non-destructive testing methods like computed tomography are used after manufacturing. Recently, for enhanced profitability and practicality online non-destructive testing methods, like optical tomography have been developed. This paper discusses the applicability of eddy current testing with magnetoresistive sensors for laser powder bed fusion parts. For this purpose, high spatial resolution giant magnetoresistance arrays are utilized for testing in combination with a single wire excitation coil. A heterodyne principle minimizes metrology efforts. This principle is compared to conventional signal processing in an eddy current testing setup using an aluminum test sample with artificial surface defects. To evaluate the influence of the powder used in the manufacturing process on eddy current testing and vice versa, a laser powder bed fusion mock-up made from stainless steel powder (316L) is used with artificial surface defects down to 100 µm. This laser powder bed fusion specimen was then examined using eddy current testing and the underlying principles.
The rising popularity of additive manufacturing processes leads to an increased interest in possibilities and methods for related process monitoring. Such methods ensure improved process quality and increase the understanding of the manufacturing process, which in turn is the basis for stable component quality, e.g., required in the aerospace industry or in the medical sector. For laser powder bed fusion, a handful of process monitoring tools already exist, such as optical tomography, thermography, pyrometry, imaging, or laser power monitoring. Although these tools provide helpful information about the process, more information is required for an accurate in-depth understanding. In this article, advanced approaches in eddy current testing (ET) are combined, such as single wire excitation, magnetoresistive (MR) sensor arrays, and heterodyning to build up a system that can be used for online process monitoring of laser powder bed fusion. In addition to detailed information about the developed ET system and underlying signal processing, the first results of magnetoresistance-basedonline ET during the laser powder fusion process are presented. While producing a step-shaped cuboid, each layer is tested during recoating.
Test results show that not only the contours of the topmost layer are detected but also the contours of previous layers covered by powder. At an excitation frequency of 1 MHz, a penetration depth of approx. 400 μm is obtained. To highlight the possibilities of ET for online process monitoring of laser powder bed fusion, results are compared with postexposure images of the integrated layer control system (LCS).
Hohe Empfindlichkeit und Ortsauflösung sowie eine kurze Prüfzeit
sind Anforderungen an ein leistungsfähiges Prüfsystem basierend auf magnetischen
ZfP-Verfahren für die Oberflächenprüfung. Dieses soll das sichere Auffinden feinster
Risse mit Tiefen von weniger als 50 Mikrometern gewährleisten.
Um eine gute Ortsauflösung zu gewährleisten, müssen in der Regel der Defektgröße
angepasste Sensoren zum Einsatz kommen. Speziell im Fall von
Risslängen kleiner als ein Millimeter sollten die Sonden für die Streuflussprüfung
ebenfalls Wirkbreiten kleiner als ein Millimeter aufweisen. Durch die daraus folgenden
geringen Spurbreiten ergeben sich allerdings lange Prüfzeiten. Der
begrenzten Prüfzeit und präzisionsbedingten mechanischen Grenzen in der Verfahr-
Geschwindigkeit einer Sonde kann mit einem Multikanalansatz begegnet werden.
Eine hohe Anzahl an Kanälen wiederum führt zu einem Platzproblem in der
Prüfsonde, schließlich erfordert die Verstärkung schwacher Signale im eine Reihe
von aktiven Bauelementen.
Der Schlüssel zur Auflösung dieses Konflikts ist der Einsatz moderner Schaltkreise
wie Multiplexer und FPGA. In diesem Beitrag stellen wir am Beispiel eines
48 kanaligen Testaufbaus für die GMR-basierte Streuflussprüfung ein flexibles miniaturisiertes
Elektronikkonzept vor. Dabei gehen wir auf die einzelnen
Komponenten zur Ansteuerung der Sensoren und zur Signalkonditionierung ein.
Wir berichten vom Design, Aufbau und der Charakterisierung des Multikanalmoduls
und seiner Erprobung im realen Prüfeinsatz.
GMR sensors are increasingly used for magnetic surface inspection due to their high
sensitivity and high spatial resolution. In case of simple planar or cylindrical shaped
components, the GMR-based inspection procedure can be automated easily. In order to
reduce the inspection time we present a GMR-based NDT-system consisting of a yoke
and a coil as a local magnetization unit. This way the global magnetization step and, if
necessary, the corresponding demagnetization cycle can be avoided reducing the
number of working steps. Using a local probe we measured plates, bearings, and rails,
each of which containing real fatigue cracks and reference artificial cracks of different
depths and orientations. Cracks with a depth of 40 ìm could be resolved with a signalto-
noise ratio of about 20. A reduction of the measuring time can be obtained using a
sensor array. We present an optimized sensor array for nondestructive testing
application, where gradiometric arranged GMR layers were fabricated on a board with
up to 48 GMR sensors. Each sensor detects the vertical field gradient. In our example
the baseline was chosen to be 250 ìm which efficiently suppress external background
fields without losing sensitivity for the detection of surface breaking defects.