8.5 Röntgenbildgebung
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A systematic study has been carried out to investigate the neutron transmission signal as a function of sample temperature. In particular, the experimentally determined wavelength-dependent neutron attenuation spectra for a martensitic steel at temperatures ranging from 21 to 700°C are compared with simulated data. A theoretical description that includes the Debye–Waller factor in order to describe the temperature influence on the neutron cross sections was implemented in the nxsPlotter software and used for the simulations. The analysis of the attenuation coefficients at varying temperatures shows that the missing contributions due to elastic and inelastic scattering can be clearly distinguished: while the elastically scattered intensities decrease with higher temperatures, the inelastically scattered intensities increase, and the two can be separated from each other by analysing unique sharp features in the form of Bragg edges. This study presents the first systematic approach to quantify this effect and can serve as a basis , for example, to correct measurements taken during in situ heat treatments, in many cases being a prerequisite for obtaining quantifiable results.
In various kinds of radiography, deficient transmission imaging may occur due to backlighting inside the detector itself arising from light or radiation scattering. The related intensity mismatches barely disturb the high resolution contrast, but its long range nature results in reduced attenuation levels which are often disregarded. Based on X-ray observations and an empirical formalism, a procedure is developed for a first order correction of detector backlighting. A backlighting factor is modeled as a function of the relative detector coverage by the sample projection. Different cases of sample transmission are regarded at different backlight factors and detector coverage. The additional intensity of backlighting may strongly affect the values of materials’ attenuation up to a few 10%. The presented scenario provides a comfortable procedure for corrections of X-ray or neutron transmission imaging data.
Simulation-Assisted Augmentation of Missing Wedge and Region-of-Interest Computed Tomography Data
(2024)
This study reports a strategy to use sophisticated, realistic X-ray Computed Tomography (CT) simulations to reduce Missing Wedge (MW) and Region-of-Interest (RoI) artifacts in FBP (Filtered Back-Projection) reconstructions. A 3D model of the object is used to simulate the projections that include the missing information inside the MW and outside the RoI. Such information augments the experimental projections, thereby drastically improving the reconstruction results. An X-ray CT dataset of a selected object is modified to mimic various degrees of RoI and MW problems. The results are evaluated in comparison to a standard FBP reconstruction of the complete dataset. In all cases, the reconstruction quality is significantly improved. Small inclusions present in the scanned object are better localized and quantified. The proposed method has the potential to improve the results of any CT reconstruction algorithm.
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.
The project ProMoAM is presented. The goal of the project is to evaluate which NDT techniques or combination of techniques is suited for in-situ quality assurance in additive manufacturing of metals. To this end, also 3d-data fusion and visualization techniques are applied. Additional ex-situ NDT-techniques are used as references for defect detection and quantification. Feasability studies for NDT-techniques that are presently not applicable for in-situ use are performed as well.
The presentation gives a brief overview of the whole project and the different involved NDT-techniques.
X-Ray computed tomography and traditional analysis of a capillary absorption test in cement pastes
(2020)
Water absorption testing has the attraction of being simple, relatively quick and use water as a fluid which is the key substance in the possible concrete deterioration. However, in spite of the advantages its application has remained empirical, except for the testing of resistance to frost, through the identification of the critical degree of saturation. Rilem TC-116 studied this test, among others, for the characterization of concrete resistance against transport through the concrete pore network. Results indicated a low discriminating ability of the absorbency for qualifying concrete resistance and then, it seemed necessary to try to move forward by making the link between the absorption testing and the concrete pore microstructure. In the present work, thanks to the X-Ray computed tomography, it is described the evolution of the water front in three paste-specimen with different w/c ratios (different pore radius distributions). The observations allowed us to deduce that all the pores start to fill simultaneously, but the bigger ones fill quicker and rise less. The saturation degree is measured along the height of the sample, showing that each pore size has a different rate which becomes constant after the first hour. Washburn’s equation was applied to the progressive advance of the water front, resulting in a pore radius much smaller than the one expected.
Die Computer-gestützte Laminografie (CL) wurde als komplementäre Methode zur Computertomografie für die dreidimensionale Bildgebung von lateral ausgedehnten Objekten entwickelt. Ursprünglich für medizinische Zwecke verwendet, wurde diese Methode kürzlich als zerstörungsfreie nicht-invasive Methode nicht nur in der Materialforschung, sondern auch mit steigendem Interesse für kunsthandwerkliche und historische Objekte eingesetzt. Hier wird die Computer-gestützten Laminografie mit polychromatischer Neutronenstrahlung an einer historischen Tsuba eingesetzt, einem Stichblatt eines japanischen Schwerts. Eine Analyse der Lötstellen gibt Rückschlüsse auf das Herstellungsverfahren. Zudem wurden unterschiedliche Materialsysteme gefunden, vermutlich um dem Tsuba lokal eine höhere Stabilität zu verleihen. Die Messungen wurden an der Imaging-Beamline CONRAD-2 an der Neutronenquelle BER 2 des Helmholtz-Zentrums Berlins (HZB) durchgeführt.
The contour scan strategies in laser powder bed fusion (LPBF) of Ti-6Al-4V were studied at the coupon level. These scan strategies determined the surface qualities and subsurface residual stresses. The correlations to these properties were identified for an optimization of the LPBF processing. The surface roughness and the residual stresses in build direction were linked: combining high laser power and high scan velocities with at least two contour lines substantially reduced the surface roughness, expressed by the arithmetic mean height, from values as high as 30 μm to 13 μm, while the residual stresses rose from ~340 to about 800 MPa. At this stress level, manufactured rocket fuel injector components evidenced macroscopic cracking. A scan strategy completing the contour region at 100 W and 1050 mm/s is recommended as a compromise between residual stresses (625 MPa) and surface quality (14.2 μm). The LPBF builds were monitored with an in-line twin-photodiode-based melt pool monitoring (MPM) system, which revealed a correlation between the intensity quotient I2/I1, the surface roughness, and the residual stresses. Thus, this MPM system can provide a predictive estimate of the surface quality of the samples and resulting residual stresses in the material generated during LPBF.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.