8.7 Thermografische Verfahren
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- 4.2 Materialien und Luftschadstoffe (3)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (3)
- 5.4 Keramische Prozesstechnik und Biowerkstoffe (2)
- 1.3 Strukturanalytik (1)
- 1.4 Prozessanalytik (1)
- 5.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 5.3 Mechanik der Polymerwerkstoffe (1)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (1)
Das Prozessmonitoring stellt einen wichtigen Baustein für eine Qualitätssicherung additiv gefertigter Bauteile dar, insbesondere bei kleinen Losgrößen. Der Vortrag zeigt einen Überblick aktueller Entwicklungen der BAM im Bereich des Prozessmonitorings für das Laserstrahlschmelzen (laser powder bed fusion) metallischer Werkstoffe. Durch Vergleich mit der Referenzmethode Computertomografie wird am Beispiel der thermografischen Verfahren gezeigt, wie relevante Defekte in Bauteilen detektiert werden können und Einsatzpotenziale sowie Limitierungen aufgezeigt.
Crack detection in metallic samples at high surface temperature, hostile and hazardous environments, etc. is challenging situation in any manufacturing industries. Most of the present NDE methods are suitable only for lower surface temperatures, especially room temperature. In this situation, we need a fast and non-contact NDT method which can be applied even in high sample surface temperature. Laser thermography is one of the techniques having a high potential in non-contact inspection. As a preliminary investigation, in this article, we have studied the potentiality of laser line thermography in crack detection at room temperature. In laser line thermography, a continuous wave (CW) laser is used to generate a laser line, which in turn is used to scan the metal surface. The heat distribution over the sample surface is recorded by an infrared thermal (IR) camera. Two different approaches are reported in this work. Firstly, a stationary laser line source and its interaction with cracks; secondly, moving laser line source scanning over a surface with crack. When the distance between crack centre to laser line centre increases, crack detectability will decrease; and when laser power increases, crack detectability will increase. A dedicated image processing algorithm was developed to improve the detectability of the cracks. To understand the heat transfer phenomenon, a simplified 3D model for laser thermography was developed for the heat distribution during laser heating and was validated with experimental results. Defects were incorporated as a thermally thin resistive layer (TTRL) in numerical modeling, and the effect of TTRL in heat conduction is compared with experimental results.
The main drawback in radiometric imaging is the degradation of the spatial resolution with increasing depth, which results in blurred images for deeper lying structures. We circumvent this degradation with blind structured illumination, combined with a non-linear joint sparsity reconstruction algorithm. We demonstrate this by imaging a line pattern and a star-shaped structure through a metal sheet with a resolution four times better than the width of the thermal point-spread-function. The ground-breaking concept of super-resolution can be transferred from optics to diffusive imaging by defining a thermal point-spread-function similar to the Abbe limit for a certain optical wavelength.
Die thermografische ZfP basiert auf der Wechselwirkung von thermischen Wellen mit Inhomogenitäten. Diese Inhomogenitäten hängen mit der Probengeometrie oder der Materialzusammensetzung zusammen. Obwohl die Thermografie für ein breites Spektrum von Inhomogenitäten und Materialien geeignet ist, ist die grundlegende Einschränkung die diffuse Natur der thermischen Wellen und die Notwendigkeit, ihre Wirkung lediglich an der Probenoberfläche radiometrisch messen zu können. Die Ausbreitung der thermischen Wellen von der Wärmequelle über die Inhomogenität zur Detektionsoberfläche führt zu einer Verschlechterung des räumlichen Auflösungsvermögens der thermografischen Technik. Ein neuer konzertierter Ansatz auf Basis einer räumlich strukturierten Erwärmung und einer Joint Sparsity des Signalensembles ermöglicht eine verbesserte Rekonstruktion von Inhomogenitäten.
Im Beitrag wird die Implementierung dieses Ansatzes auf Basis einer strukturierten Beleuchtung mit einem 1D-Laser-Array vorgestellt. Die einzelnen Emitterzellen des Laser-Arrays werden durch ein pseudozufälliges Binärmuster gesteuert und zusätzlich leicht verschoben. Die wiederholte Messung dieser verschiedenen Konfigurationen bei gleichzeitig konstanter Inhomogenität ermöglicht eine Rekonstruktion der Inhomogenität unter Ausnutzung der Joint Sparsity.
Photothermal radiometry with an infrared camera allows the contactless temperature measurement of multiple surface pixels simultaneously. A short light pulse heats the sample. The heat propagates through the sample by diffusion and the corresponding temperature increase is measured at the samples surface by an infrared camera. The main drawback in radiometric imaging is the loss of the spatial resolution with increasing depth due to heat diffusion, which results in blurred images for deeper lying structures. We circumvent this information loss due to the diffusion process by using blind structured illumination, combined with a non-linear joint sparsity reconstruction algorithm.
The detection of cracks before the failure is highly significant when it comes to safety-relevant structures. Crack detection in metallic samples at high surface temperature is one of the challenging situation in manufacturing industries.
Laser thermography has already proved its detection capability of surface cracks in metallic samples at room temperature. In this work a continuous wave (CW) laser use to generate a laser, which is using to scan the metal surface with notch.
The corresponding heat distribution on the surface monitored using infrared thermal (IR) camera. A simplified 3D model for laser thermography is developed and validated with experimental results. A dedicated image processing algorithm developed to improve the detectability of the cracks. To understand the dependency of surface temperature, laser power, laser scanning speed etc. in defect detection, we carried out parametric studies with our validated model. Here we Report the capability of laser thermography in crack detection at elevated temperature.
The separation of two closely located defects in fields of Thermographic NDE is very challenging. The diffusive nature of thermal waves leads to a fundamental limitation in spatial resolution. Therefore, super resolution image reconstruction can be used.
The measured thermal waves can be transformed to virtual (ultrasound) waves that can be processed by applying ultrasound reconstruction algorithms and finally the super resolution algorithm. Otherwise, it is also possible to make use of a Fourier transform with a subsequent super resolution routine.
These super resolution thermographic image reconstruction techniques in post-processing are discussed and evaluated regarding performance, accuracy and repeatability.
Es wurden Prüfkörper aus additiver Fertigung mittels Laser Sinter Verfahren (Polyamid 12, PA 12) und Fused Layer Modeling (Acrylnitril-Butadien-Styrol, ABS) sowie Prüfkörper aus dem Kunststoff-Spritzguss Verfahren (PA 12 und ABS) über 2000 Stunden künstlich bewittert. Vor, während und nach der Bewitterung erfolgte eine zerstörungsfreie Prüfung mittels Thermografie, optischer Mikroskopie und spektralen Methoden (UV/VIS-Spektroskopie und spektrale Reflexion), um den Alterungsfortschritt zu untersuchen und Schäden durch die künstliche Bewitterung sowie eingedruckte Defekte zu identifizieren und zu detektieren.
Zusätzlich wurden zerstörende Zugprüfungen vorgenommen, welche mit einer IR-Kamera verfolgt wurden. Auf diese Weise konnten lokale Temperaturänderungen, hervorgerufen durch elastische sowie plastische Verformungen, zeitaufgelöst erfasst und ausgewertet werden.
Im weitverbreiteten Fall der thermografischen ZfP sollen Defekte im Probeninneren detektiert werden. Da diese eine Inhomogenität darstellen, genügt jegliche Mess- und Datenverarbeitungstechnik, die diese Inhomogenität als Kontrast in der transienten Temperaturverteilung herausarbeitet. Ein üblicher Ansatz ist eine extrem kurze und intensive Blitzlampenbeleuchtung zusammen mit einer nachträglichen Fourier-Transformation zu verwenden. Für die zusätzliche Tiefenbestimmung werden entweder rein phänomenologische Ansätze, semi-analytische Ansätze mit Kalibrationsmessungen oder Fits an analytische bzw. numerische Modelle verwendet. Ein üblicher semi-analytischer Ansatz ist z.B. die Analyse des Abknickens der transienten Abkühlkurve. Problematisch ist das schnelle Abklingen der Amplitude auf Rauschniveau und damit die inhärente Beschränkung der Tiefenreichweite. Eine äquivalente Beschreibung der Wärmeleitung ist über sehr stark gedämpfte thermische Diffusionswellen möglich. Die Eindringtiefe ist dann gleich der thermischen Diffusionslänge. Der semi-analytische Ansatz über normales Least-Squares-Fitting funktioniert für 1D-Schicht-Systeme sehr gut, versagt aber für höherdimensionale Messprobleme. Genau hier setzt eine seit Kurzem bekannte Transformation der diffusen Temperaturentwicklung (bzw. des Realteils der Diffusionswelle) in eine propagierende virtuelle Temperaturwelle an. Dieses sog. Virtual-Wave-Konzept stellt sich selbst als ein weiteres inverses Problem dar. Der Nutzen dieser in einer linearen virtuellen Zeitdomäne propagierenden Welle überkompensiert den numerischen Mehraufwand jedoch deutlich. Zusammen mit neuen Technologien in der Erwärmung durch Hochleistungs-Laser-Arrays und in der Datenakquisition durch kHz-Kameras erlaubt dieser Ansatz eine signifikante Verbesserung der Tiefenreichweite in der Impuls-Thermografie. Im Beitrag werden experimentelle Ergebnisse an einer additiv hergestellten Metallprobe mit überdeckten Schlitzen vorgestellt, die eine Detektion dieser Defekte bis zu einem Seitenverhältnis von Defektbreite/Defekttiefe ~ 0,25 erlauben, also ca. 4 mal tiefer als die übliche Faustformel.
Rapid cooling rates and steep temperature gradients are characteristic of additively manufactured (AM) parts and important factors for residual stress formation which have implications on structural integrity. This study examined the influence of heat input on the distribution of residual stresses in two prisms produced by laser powder bed fusion (L-PBF) of austenitic stainless steel 316L.
The layers of the prisms were exposed using two distinct helix scanning strategies: one scanned from the centre to the perimeter and the other from the perimeter to the centre. Residual stresses were characterised at one plane perpendicular to the building direction at half of its build height using neutron diffraction. In addition, the defect distribution was analysed via micro X-ray computed tomography (µCT) in a twin specimen.
Both scanning strategies reveal residual stress distributions typical for AM: compressive stresses in the bulk and tensile stresses at the surface. However, temperature gradients and maximum stress levels differ due to the different heat input. Regarding the X-ray µCT results, they show an accumulation of defects at the corners where the laser direction turned through 90°.
The results demonstrate that neutron diffraction and X-ray µCT can be successfully used as non-destructive methods to analyse through-thickness residual stress and defect distribution in AM parts, and in the presented case, illustrate the influence of scanning strategies. This approach contributes to deeper assessment of structural integrity of AM materials and components.