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Impact damages and delaminations in fibre-reinforced composites (FRC) might not be visible at the surface, but could have an influence on the resistance and on the long-term behaviour of the component. Therefore, and especially for safety relevant structures, non-destructive methods are required for the assessment of such damages.
Active thermography methods are suitable to characterize damages after loading using different kind of excitation techniques and various configurations of infrared (IR) camera and heating sources. Here, flash lamps, impulse excitation with infrared radiator and lock-in technique with halogen lamps or widened laser beams are suited. In addition, non-optical sources like sonotrodes (requiring direct contact to the structure) or induction generators (only suited for carbon fibre reinforced polymer (CFRP) structures) could be applied as well. For the investigation of the evolution of the damage during the impact, passive thermography can be applied in-situ. Elastic and plastic deformations alter the temperature of the structure and thus the temperature on the surface.
In this contribution, at first the general principles of quantitative defect characterisation in FRC using active thermography with flash, impulse and lock-in excitation are described. Optical and thermal properties of the FRC material and its anisotropy are considered. Results of phase differences obtained at flat bottom holes with flash and lock-in thermography are compared for qualifying both methods for quantitative defect characterization. Secondly, the damage evolution of CFRP and GFRP structures under impact load and static tensile loading is described. The spatial and temporal evolution of the surface temperature enables us to distinguish matrix cracks or fibre-matrix separation from delaminations between the layers. Afterwards, all results for loading defects, obtained by passive and active thermography, are compared with each other. Fig. 1 and 2 show the difference of passive and flash thermography obtained at impact and tensile loaded CFRP plates, respectively. As one purpose of these investigations is the development of standards within national (DIN) and European (CEN) standardisation bodies, new draft and final standards are presented and further needs are discussed at the end of the presentation.
This study evaluates whether subsurface features in rotor blades, mainly made of Glass Fibre Reinforced Plastics (GFRP), can generally be detected with ‘‘solar thermography”. First, the suitability of the sun is tested for acting as a heat source for applying active thermography on a 30 mm thick GFRP test specimen. Second, a defective rotor blade segment is inspected outdoors under ideal natural conditions using the sun as excitation source. Additionally, numerical FEM-simulations are performed and the comparability between experiment and simulation is evaluated for outdoor measurements.
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.
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.
The applicability of pulse phase thermography (PPT) for the investigation of structures is studied systematically on concrete test specimens and on a plastered sandstone column. In the test specimens, voids and delaminations are implemented in different depths and with different sizes, modelling real voids, honeycombing and debonding. Delaminations of plaster in concrete and masonry and behind tiles on concrete are investigated. PPT is based on the frequency analysis of the cooling down process of actively heated surfaces. Therefore, it is contactless and thus completely non-destructive (if overheating of the surface is prevented), fast and allows the inspection of large surface areas. The interpretation of amplitude and phase images gives semi-quantitative information about the observed defects. The phase images provide a deeper probing up to 1015 cm in relation to the interpretation of the thermograms and to the amplitude images. In addition, the influence of surface inhomogeneities and non-uniform heating is reduced.
Pulse thermography of concrete structures is used in civil engineering for detecting voids, honeycombing and delamination. Quantitatively realistic numerical 3D simulation is difficult due to the arising boundary layer at the heated surface and unreliable information about material parameters and environmental conditions. We address both issues by a semi-analytic reformulation of the heat transport problem and by parameter identification. Numerical results are compared with measurements of a test specimen.
Fused filament fabrication (FFF) is a material extrusion-based technique often used in desktop 3D printers. Polymeric filaments are melted and are extruded through a heated nozzle to form a 3D object in layers. The extruder temperature is therefore a key parameter for a successful print job but also one of the main emission driving factors as harmful pollutants (e.g., ultrafine particles) are formed by thermal polymer degradation. The awareness of potential health risks has increased the number of emission studies in the past years. However, studies usually refer their calculated emission data to the printer set extruder temperature for comparison purposes. In this study, we used a thermocouple and an infrared camera to measure the actual extruder temperature and found significant temperature deviations to the displayed set temperature among printer models. Our result shows that printing the same filament feedstocks with three different printer models and with identical printer set temperature resulted in a variation in particle emission of around two orders of magnitude. A temperature adjustment has reduced the variation to approx. one order of magnitude. Thus, it is necessary to refer the measured emission data to the actual extruder temperature as it poses a more accurate comparison parameter for evaluation of the indoor air quality in user scenarios or for health risk assessments.
Fallbeispiele für die Anwendung der 3D-Messtechnik und der aktiven Thermografie in der Denkmalpflege
(2010)
Für die optische Erwärmung von Prüfteiloberflächen sind Blitz- und Halogenlampen Stand der Technik. Der Vorteil dieser Wärmequellen liegt in ihren relativ geringen Anschaffungskosten bei gleichzeitig hohen Leistungsdichten am Prüfobjekt. Nachteilig ist bei den Halogenlampen die Limitierung der möglichen Modulationsffequenz auf ca. 1 Hz für die Anwendung dieser Quelle in der Lockin-Thermografie. Blitzlampen bieten für gewöhnlich nur eine feste Blitzdauer bei einer geringen Taktrate. Beide Anregungsquellen müssen in Reflexionsanordnung mit Filtern betrieben werden um die entstehende thermische Eigenstrahlung als Störquelle zu eliminieren. Wir stellen Untersuchungen an Hochleistungs-LEDs für den Einsatz in der aktiven Thermografie vor. Diese Lichtquellen werden durch die rasante Entwicklung der möglichen Leistungsdichten nun auch für die thermografische ZfP interessant. Sie zeigen ähnlich dem Laser eine schmale und auf den Werkstoff abstimmbare spektrale Verteilung der Strahlungsleistung bei moderaten Kosten. Die zugrunde liegende Elektrolumineszenz generiert kaum Wärmestrahlung und ermöglicht dadurch die Prüfung während des Erwärmungsvorganges ohne größeren Aufwand. Modulationsfrequenzen über 100 Hz mit thermischen Eindringtiefen < 1 mm sind möglich. Dadurch qualifizieren sich die LEDs zur Anwendung in der Lockin-Thermografie von Metallen und zur oberflächennahen Prüfung von Schichtsystemen. Durch die fast verzögerungsffeie Reaktion der LED auf das steuernde Signal sind nahezu beliebige zeitliche Anregungsformen möglich. Mit solch flexiblen Anregungsformen ließen sich bereits bei den photothermischen Verfahren erfolgreich höhere Tiefenreichweiten und -auflösungen gegenüber den klassischen Methoden der monofrequenten Lockin - und energiereichen Kurzimpuls-Anregung erzielen. Untersuchungen dieser Möglichkeiten im praktischen Einsatz der HochleistungsLEDs werden vorgestellt und mit herkömmlichen Lichtquellen verglichen.