Chemie und Prozesstechnik
Filtern
Dokumenttyp
- Zeitschriftenartikel (8)
- Beitrag zu einem Tagungsband (8)
- Vortrag (5)
- Sonstiges (1)
Schlagworte
- GFRP (6)
- Thermografie (6)
- Additive manufacturing (4)
- Active thermography (3)
- Additive Fertigung (3)
- CFRP (3)
- Thermography (3)
- Analytical model (2)
- Artificial weathering (2)
- Faserverbundwerkstoffe (2)
Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
- nein (5)
Die zerstörungsfreie Prüfung von metallischen Bauteilen hergestellt mit additiver Fertigung (Additive Manufacturing - AM) gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung. Grund dafür ist die Feststellung von Qualität, Reproduzierbarkeit und damit auch Sicherheit für Bauteile, die mittels AM gefertigt wurden. Jedoch wird noch immer ex-situ geprüft, wobei Defekte (z.B. Poren, Risse etc.) erst nach Prozessabschluss entdeckt werden. Übersteigen Anzahl und/oder Abmessung die vorgegebenen Grenzwerte für diese Defekte, so kommt es zu Ausschuss, was angesichts sehr langer Bauprozessdauern äußerst unrentabel ist. Eine Schwierigkeit ist dabei, dass manche Defekte sich erst zeitverzögert zum eigentlichen Materialauftrag bilden, z.B. durch thermische Spannungen oder Schmelzbadaktivitäten. Dementsprechend sind reine Monitoringansätze zur Detektion ggf. nicht ausreichend.
Daher wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur aktiven Thermografie an dem AM-Prozess Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) untersucht. Das Bauteil wird mit Hilfe des defokussierten Prozesslasers bei geringer Laserleistung zwischen den einzelnen gefertigten Lagen unabhängig vom eigentlichen Bauprozess erwärmt. Die entstehende Wärmesignatur wird ort- und zeitaufgelöst durch eine Infrarotkamera erfasst. Durch diese der Lagenfertigung nachgelagerte Prüfung werden auch zum Bauprozess zeitversetzte Defektbildungen nachweisbar.
In dieser Arbeit finden die Untersuchungen als Proof-of-Concept, losgelöst vom AM-Prozess, an einem typischen metallischen Testkörper statt. Dieser besitzt eine Nut als oberflächlichen Defekt. Die durchgeführten Messungen finden an einer eigens entwickelten L-PBF-Forschungsanlage innerhalb der Prozesskammer statt. Damit wird ein neuartiger Ansatz zur aktiven Thermografie für L-PBF erforscht, der eine größere Bandbreite an Defektarten auffindbar macht. Der Ansatz wird validiert und Genauigkeit sowie Auflösungsvermögen geprüft. Eine Anwendung am AM-Prozess wird damit direkt forciert und die dafür benötigten Zusammenhänge werden präsentiert.
In vielen Umgebungen, besonders bei hohen Temperaturen, korrosiven Umgebungen oder auf bewegten oder schlecht zugänglichen Flächen, kann die Temperatur nicht oder nur mit nicht akzeptablem Aufwand mit Berührungsthermometern gemessen werden. Diese Umgebungsbedingungen sind unter anderem in der chemischen Industrie, der Lebensmittel-, Metall-, Glas-, Kunststoff- und Papierherstellung sowie bei der Lacktrocknung anzutreffen. In diesen Bereichen kommen Strahlungsthermometer zum Einsatz. Der VDI-Statusreport zeigt typische Anwendungsfelder von nicht radiometrisch kalibrierten Wärmebildkameras und von radiometrisch kalibrierten Thermografiekameras. Um verlässlich mit spezifizierten Messunsicherheiten berührungslos Temperaturen zu messen, müssen die Strahlungsthermometer und Thermografiekameras nicht nur kalibriert, sondern radiometrisch und strahlungsthermometrisch umfassend charakterisiert werden. Auch die optische Materialeigenschaft, der spektrale Emissionsgrad und die Gesamtstrahlungsbilanz (Strahlung des Messobjekts und der Umgebung) sind bei der industriellen Temperaturmessung von großer Bedeutung. In den letzten Jahrzehnten ist dazu ein umfassendes technisches Regelwerk entstanden, das wir Ihnen mit diesem VDI-Statusreport vorstellen. Manche in den Richtlinien beschriebenen Kennwerte mögen abstrakt wirken. In diesem Statusreport zeigen wir an konkreten Beispielen, was diese Kenngrößen für die berührungslose Temperaturmessung bedeuten. Beispiele von Anwendungen zeigen, wo temperaturmessende Thermografiekameras und ausschließlich bildgebende Wärmebildkameras in der Praxis eingesetzt werden. Mit einer Analyse, welche Themen und Anwendungen derzeit besonders intensiv diskutiert werden, versuchen wir Trends für zukünftige Entwicklungen herauszuarbeiten.
Thanks to its good strength/mass ratio, a glass fibre reinforced plastic (GFRP) composite is a common material widely used in aviation, power production, automotive and other industries. In its turn, active infrared (IR) nondestructive testing (NDT) is a common inspection technique for detecting and characterizing structural defects in GFRP. Materials to be tested are typically subjected to optical heating which is supposed to occur on the material surface. However, GFRP composite is semitransparent for optical radiation of both visual and IR spectral bands. Correspondingly, the inspection process represents a certain combination of both optical and thermal phenomena. Therefore, the known characterization algorithms based on pure heat diffusion cannot be applied to semi-transparent materials. In this study, the phenomenon of GFRP semi-transparency has been investigated numerically and experimentally in application to thermal NDT. Both Xenon flash tubes and a laser have been used for thermal stimulation of opaque and semi-transparent test objects. It has been shown that the Penetration of optical heating radiation into composite reduces detectability of shallower defects, and the signal-to-noise ratio can be enhanced by applying the technique of thermographic signal reconstruction (TSR). In the inspection of the semi-transparent GFRP composite, the most efficient has been the laser heating followed by the TSR data processing. The perspectives of defect characterization of semi-transparent materials by using laser heating are discussed. A neural network has been used as a candidate tool for evaluating defect depth in composite materials, but its training should be performed in identical with testing conditions.
Material defects in fiber reinforced polymers such as delaminations can rapidly degrade the material properties or can lead to the failure of a component. Pulse thermography (PT) has proven to be a valuable tool to identify and quantify such defects in opaque materials. However, quantification of delaminations within semitransparent materials is extremely challenging. We present an approach to quantify delaminations within materials being semitransparent within the wavelength ranges of the optical excitation sources as well as of the infrared (IR) camera. PT experimental data of a glass fiber reinforced polymer with a real delamination within the material were reconstructed by one dimensional (1D) mathematical models. These models describe the heat diffusion within the material and consider semitransparency to the excitation source as well to the IR camera, thermal losses at the samples surfaces and a thermal contact resistance between the two layers describing the delamination. By fitting the models to the PT data, we were able to determine the depth of the delamination very accurately. Additionally, we analyzed synthetic PT data from a 2D simulation with our 1D-models to show how the thermal contact resistance is influenced by lateral heat flow within the material.
Additively manufactured test specimens made of polyamide 12 (PA 12) by Laser Sintering as well as of acrylonitrile butadiene styrene (ABS) by Fused Layer Modelling, were characterised with active thermography directly after manufacturing and after artificial weathering. For this, two different excitation methods (flash and pulse heating) were used and compared, regarding their suitability for the detection of constructed and imprinted defects inside the test specimens. To increase the quality of the thermograms, data processing methods like thermal signal reconstruction (TSR) and Fourier Transformation after TSR were applied. To further investigate the long-term stability of the additively manufactured test specimens towards environmental stress, like UV radiation, heat, humidity, water contact and frost with active thermography, an artificial weathering test over 2000 hours (~3 months) was applied to the specimens. The monitoring of the changes in the optical properties of the weathered plastics was supplemented by spectral reflectance and UV/VIS spectroscopy.
Das vorgestellte Projekt beschäftigt sich mit den optischen, thermophysikalischen und mechanischen Materialeigenschaften von additiv gefertigten Kunststoffteilen und deren Alterung. Dazu wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS hergestellt, die anschließend für drei Monate einer künstlichen Bewitterung unterzogen wurden. Die dabei erzeugte definierte Alterung wurde nach drei Zeitabschnitten jeweils mit zerstörungsfreien Methoden charakterisiert. Dabei wurde neben den spektroskopischen Standardmethoden auch die aktive Thermografie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mittels der Thermografie sowohl chemische Veränderungen als auch mechanische Schädigungen (Fehlstellen) darstellen lassen. Die Bewitterung beeinflusst die Teiltransparenz der Proben zumindest im sichtbaren Spektralbereich, was bei der Charakterisierung der Fehlstellen, die mittels optisch angeregter aktiver Thermografie detektiert wurden, berücksichtigt werden muss.
Here, we report on a first mechanochemical synthesis of ettringite, an important cement hydrate phase. The mineral compound ettringite ([Ca3Al(OH)6]2·(SO4)3·26H2O) occurs rarely in nature, but is common for cement-based materials. Ettringite has wide technical application in the ceramic and paper industry. However, its typical wet-chemical synthesis is cumbersome and produces waste water and CO2 emissions. Here, we investigate the first mechanochemical synthesis of ettringite for developing an easy and sustainable alternative for industrial application. The mechanosynthesis was monitored in situ by coupled synchrotron X-ray diffraction (XRD) and infrared thermography (IRT). The consumption of the reactants and the formation of the reaction product were monitored with time-resolved XRD. IRT showed the temperature increase based on the exothermic reaction. The reaction conversion was significantly improved changing the strategy of the mechanosynthesis from a one- to a two-step process. The latter included neat pregrinding of solid reactants followed by a delayed addition of the stoichiometric amount of water. Thus, an increase of reaction conversion from 34 to 94% of ettringite could be achieved.
Iterative numerical 2D-modelling for quantification of material defects by pulsed thermography
(2019)
This paper presents a method to quantify the geometry of defects such as flat bottom holes (FBH) and notches in opaque materials by a pulse thermography (PT) experiment and a numerical model. The aim was to precisely describe PT experiments in reflection configuration with a simple and fast numerical model in order to use this model and a fit algorithm to quantify defects within the material. The algorithm minimizes the difference between the time sequence of a line shaped region of interest (ROI) on the surface (above the defect) from the PT experiment and the numerical data. Therefore, the experimental data can be reconstructed with the numerical model. In this way, the defect depth of a notch or FBH and its width or diameter was determined simultaneously. A laser was used for heating which was widened to a top hat spatial profile to ensure homogeneous illumination (rectangular impulse profile in time). The numerical simulation considers heating conditions and takes thermal losses due to convection and radiation into account. We quantified the geometry of FBH and notches in steel and polyvinyl chloride plasticized (PVC-U) materials with an accuracy of < 5 %.
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.
More than 80 representatives of SMEs, industrial companies and research institutes met on September 12 at the workshop "Challenges in Additive Manufacturing: Innovative Materials and Quality Control" at BAM in Adlershof to discuss the latest developments in materials and quality control in additive manufacturing.
In special lectures, researchers, users and equipment manufacturers reported on the latest and future developments in additive manufacturing. Furthermore, funding opportunities for projects between SMEs and research institutions on a national and European level were presented.