Chemie und Prozesstechnik
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Безопасность движения на железнодорожном транспорте обеспечивается широким применением современных компьютеризированных средств неразрушающего контроля (НК), которые требуют квалифицированного персонала для их обслуживания и расшифровки результатов контроля. Персонал, занятый НК элементов инфраструктуры и подвижного состава при их эксплуатации и техническом обслуживании (ремонте), а также в предприятиях, изготавливающих продукцию железнодорожного назначения, включает: инженерные кадры - работников, в функциональные обязанности которых входит организация или организация и выполнение НК (в том числе и разработка технологий и технологической документации по НК), а также расшифровка результатов НК, и рабочих – дефектоскопистов или операторов дефектоскопных тележек.
Система подготовки персонала по НК, действующая на железнодорожном транспорте и реализуемая в ПГУПС кафедрой «Методы и приборы неразрушающего контроля», созданной А.К.Гурвичем в 1977 году, включает профессиональнее обучение, высшее профессиональное образование по направлению «Приборостроение», дополнительное профессиональное образование - повышение квалификации и переподготовку (в том числе, для персонала железнодорожных специальностей).
В соответствии с требованиями действующих нормативных документов подтверждение квалификации производится путем сертификации. Уполномоченный орган по сертификации персонала по НК, создан и функционирует в ПГУПС в рамках системы добровольной сертификации персонала по НК (Руководящий орган – Регистр систем сертификации персонала), деятельность которой в области железнодорожного транспорта управляется и контролируется Технической комиссией по железнодорожному транспорту, включающей представителей Росжелдора, ОАО «РЖД», промышленных предприятий - работодателей, Уполномоченных органов и Экзаменационных центров системы сертификации.
В докладе представлены и проанализированы результаты деятельности кафедры МПНК и Квалификационного центра по НК в ПГУПС.
Оперативная характеристика обнаружения как метод оценки достоверности неразрушающего контроля
(2021)
Оперативные характеристики обнаружения в течение многих лет успешно применяют-ся при оценке достоверности неразрушающего контроля. Основными проблемами для их использования, как и при применении любого из методов оценки достоверности, яв-ляются отсутствие информации о действительной дефектной ситуации и ограниченное количество дефектов в образцах объектов контроля. Дополнительной проблемой постро-ения оперативной характеристики обнаружения является отсутствие информации о раз-мерах дефектов и отсутствие универсального размера для различных типов дефектов.
В статье обобщён опыт построения оперативных характеристик по результатам ультра-звукового контроля.
Бегущие упругие волны часто используются в области неразрушающего контроля для определения механических характеристик материалов. Поскольку склеивание различных материалов является широко используемым методом в автомобильной и авиационной промышленности, необходима надежная система измерения для определения качества таких клеевых соединений. Дисперсионные кривые для многослойных волноводов при наличии клеевых прослоек характеризуются появлением эффекта расталкивания нормальных мод в тех областях, где соответствующие моды для отдельных материалов пересекались бы. Таким образом, в зависимости от качества клеевого соединения расстояние между этими модами изменяется. Используя комбинацию экспериментальных и численных данных, в настоящей работе представлен подход к определению параметра, указывающего на качество клеевого соединения.
Бегущие упругие волны часто используются в области неразрушающего контроля для определения механических характеристик материалов. Поскольку склеивание различных материалов является широко используемым методом в автомобильной и авиационной промышленности, необходима надежная система измерения для определения качества таких клеевых соединений. Дисперсионные кривые для многослойных волноводов при наличии клеевых прослоек характеризуются появлением эффекта расталкивания нормальных мод в тех областях, где соответствующие моды для отдельных материалов пересекались бы. Таким образом, в зависимости от качества клеевого соединения расстояние между этими модами изменяется. Используя комбинацию экспериментальных и численных данных, в настоящей работе представлен подход к определению параметра, указывающего на качество клеевого соединения.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich ältere Schafe gut als Modell für die mi-nimalinvasive Behandlung von Osteoporose eignen [1]. Um einen Behandlungs-effekt nachzuweisen, wird dabei unter anderem die Belastungsfähigkeit des Kno-chens durch Druckversuche an kleinen Zylindern aus den behandelten und unbe-handelten Knochen bestimmt. Diese hatten hier einen Durchmesser von 10 mm und eine Höhe von 13 mm. Für den in-situ Druckversuch wurde eine Deben CT5000 verwendet. In einer Serie von Druckerhöhungen wurden die Proben je-weils tomographiert. Dabei ergab sich zunächst, dass mit der µCT innerhalb der Knochen im oberen und unteren Bereich schon Brüche nachgewiesen werden können, obwohl die gemessene Kraftaufnahmekurve keine Unstetigkeit zeigt. Deswegen wurden die starren Probenaufnehmer der Deben Anordnung durch bewegliche Aufnehmer ergänzt, die eine leichte Verkippung der belasteten Ober-flächen ausgleichen können. Ein Vergleich der gemessenen und der aus den µCT-Daten berechneten Verschiebungsfelder ergab trotz der komplexen Struktur der Knochen gute Übereinstimmungen. Diese Verschiebungen wurden dann mit den aus den µCT Daten simulierten mechanischen Druckversuchen, Von-Mise-Spannungen und daraus berechneten Verschiebungen verglichen. (VGStudioMax Simulation).
Zuverlässigkeitsbetrachtungen bei der Ultraschallprüfung von Radsatzwellen im Ausbildungsbetrieb
(2019)
Im Rahmen der UT1-M1 Ausbildung im Ausbildungszentrum Wittenberge der DGZfP wurden statistische Untersuchungen am Beispiel der Radsatzwellenprüfung mit Testradsatzwellen durchgeführt. Diese Untersuchungen hatten zum Ziel, die wesentlichen Einflussparameter bei der Prüfung auf das Prüfergebnis zu evaluieren. Dabei wurde unter anderem die intrinsische Fähigkeit des Prüfverfahrens zum Auffinden verschiedener Reflektorgeometrien ermittelt. Die Ergebnisse der Handprüfung wurden mit Ergebnissen mechanisierter Prüfungen verglichen. Im Rahmen der Zuverlässigkeitsbetrachtung wurden die Probability of Detection (POD) und die Nachweisgrenzen ermittelt.
Ziel dieser Arbeit war es auch, menschliche und organisatorische Einflussfaktoren auf die Ultraschall-Handprüfung von Radsatzwellen zu identifizieren, um Empfehlungen zur Optimierung der Ausbildung auszuarbeiten. Dazu wurden prüfungsbezogene Risiken in der Praxis mittels Fehlzustandsart- und –auswirkungsanalyse (FMEA) analysiert sowie von den Prüfern empfundene Probleme während der Ausbildung und in der Praxis mittels Fragebogen identifiziert. Die Ergebnisse der FMEA haben gezeigt, dass während des gesamten Prozesses Fehler auftreten können, für die Gegenmaßnahmen getroffen und implementiert werden sollten. Aus den Hinweisen und Erkenntnissen wurden einige Empfehlungen zur Optimierung der Ausbildung erarbeitet.
Zuverlässigkeitsbetrachtungen bei der Ultraschallprüfung von Radsatzwellen im Ausbildungsbetrieb
(2019)
Im Rahmen des UT1 E W im Ausbildungszentrum Wittenberge der DGZfPwurden statistische Untersuchungen am Beispiel der Radsatzwellenprüfung mit Testradsatzwellen durchgeführt. Diese Untersuchungen hatten zum Ziel, die wesentlichen Einflussparameter bei der Handprüfung auf das Prüfergebnis zu evaluieren. Im Rahmen der Zuverlässigkeitsbetrachtung wurden die ProbabilityofDetection(POD) und die Nachweisgrenzen ermittelt.Die durchgeführte Studie zeigt, dass die Bewertung der gesamten Zuverlässigkeit der ZfP komplex ist. Dieses verlangt eine detaillierte Versuchsplanung und die Einbeziehung von unterschiedlichen Faktoren, von den Anwendungsparametern bis hin zu den komplexen menschlichen und organisatorischen Faktoren. Die im Rahmen der Studie ermittelten Ergebnisse lassen aufgrund der geringen Anzahl an Testreflektoren keine allgemeingültige Übertragung auf beliebige Korbbogen-geometrienund Reflektorgeometrienzu.
"Die effiziente Verwendung von Messergebnissen bei der Nachrechnung und von Ergebnissen aus zerstörungsfreien Prüfungen im Speziellen setzt voraus, dass die Relevanz der messbaren Informationen beziffert, die Qualität der gemessenen Information berechnet und die Anforderungen an die Genauigkeit der Inspektionen aus der statischen Berechnung abgeleitet werden können. Der Vergleich der Anforderungen an eine zu messende Information mit der Qualität der gemessenen Information wird in diesem Aufsatz als Validierung eines Messverfahrens aufgefasst. Es wird gezeigt, wie zerstörungsfreie Prüfverfahren für die Nachrechnung validiert werden können. Die Methodik wird anhand einer mit der Ultraschallecho- und Impulsradarmethode untersuchten Spannbetonbrücke demonstriert."
Die Alterung bestehender Brückenbauwerke fällt mit dem sich verschlechternden Zustand und zunehmenden Anforderungen an die Bausubstanz zusammen, die eine Folge von steigenden Verkehrszahlen und der Zulassung des Schwerlastverkehrs sind. Der daraus erwachsende Bedarf an Beurteilungen von bestehenden Brücken ist national und international fortwährend groß. Die Grundlage für Nachrechnungen sind die über das System verfügbaren Informationen. Sowohl die rechnerische Zuverlässigkeit eines Tragwerks als auch die Validität der Ergebnisse hängen im Wesentlichen vom Zustand, also von der Qualität und der Relevanz dieser Informationen ab. Die gezielte Messung von gütebewerteten, relevanten Informationen kann die Urteilsfähigkeit des Beurteilenden über die Zuverlässigkeit eines Tragwerks signifikant steigern. Wünschenswert ist die Erhebung derartiger Informationen ohne signifikante Eingriffe in die Bausubstanz.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Erprobung einer Vorgehensweise für die probabilistische Beurteilung von bestehenden Bauwerken mit zerstörungsfrei gemessenen Daten und einer Methodik zum objektiven Nachweis der Eignung von zerstörungsfreien Messverfahren zur Anwendung im Zuge einer Nachrechnung. Herausgestellt wird die Eignung der im Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) publizierten Regeln zur Bewertung der Qualität der gemessenen Informationen, die später im statischen Nachweis verwendet werden sollen. Die Anforderungen an die Basisvariablen, d. h. an die Eingangsgrößen im probabilistischen Nachweis, werden aus den Vorschriften zur Zuverlässigkeitsanalyse mit dem probabilistischen Näherungsverfahren FORM, der First Order Reliability Method, abgeleitet. Darauf basiert die Entwicklung der Schnittstelle zwischen der Messtechnik und der Nachrechnung. Im Kern werden die messdatenbasierten Basisvariablen explizit als Zufallsgrößen bei der Zuverlässigkeitsanalyse berücksichtigt. Die entwickelte Vorgehensweise wird am Beispiel von zwei Spannbetonbrücken und vier Basisvariablen erprobt. In die Nachweise der Biege- und der Querkrafttragfähigkeit sowie in einen Nachweis der Dekompression fließen geometrische Messergebnisse ein, die mithilfe von Radar- und Ultraschallmessungen generiert werden. Ein wichtiger Bestandteil ist die Bildung von Modellen zur Auswertung der Messungen und zur Berechnung der Messergebnisse.
Es wird gezeigt, dass die Einbeziehung der zerstörungsfrei generierten Messergebnisse die Unsicherheit in den Berechnungsmodellen reduzieren und den Grad der Annäherung der Modelle
an die Realität steigern kann. Die Messergebnisse sind zuverlässig und vergleichbar. Umfassende Sensitivitätsanalysen geben Aufschluss über sinnvollerweise zu messende Bauwerksparameter, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Tragwerkszuverlässigkeit ausüben. Auf diese Weise wird die Relevanz der Informationen ermittelt. Das Potential derartiger Analysen für die gezielte Planung und Beauftragung von Messungen sowie für die bedarfsgerechte Zuschärfung von initial unzureichenden Berechnungsmodellen erscheint groß. Die messdatenbasierten Modelle können darüber hinaus die Robustheit einer Tragwerksanalyse steigern. Die Berücksichtigung von Messergebnissen ist dann besonders nützlich, wenn zur Beurteilung erforderliche Informationen fehlen oder Zweifel an den verfügbaren Informationen aufgekommen sind. Im besten Fall resultiert daraus die Verlängerung von rechnerischen Restnutzungsdauern, die Steigerung der Verfügbarkeit der Infrastruktur, die Optimierung des Ressourcenverbrauchs und insgesamt eine realitätsnahe Bauwerksbewertung.
Der Unterausschuss „Geführte Wellen“ im Fachausschuss „Zustandsüberwachung“ der Deutschen Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP) hat in einer Online-Umfrage den aktuellen Stand des Einsatzes geführter Ultraschallwellen für die zerstörungsfreie Prüfung und die Strukturüberwachung (structural health monitoring) ermittelt. Es wurden deutsche und internationale Firmen und Forschungseinrichtungen befragt und mehr als 400 beantwortete Fragebögen ausgewertet.
Die Umfrageergebnisse zeigen deutlich, welche Vorteile geführte Wellen bringen, aber auch welche Probleme zu bewältigen sind, um einen breiteren Einsatz der Verfahren zu ermöglichen. Aus den Ergebnissen werden Schlussfolgerungen für die weitere Ausrichtung der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten aber auch von Aktivitäten zur Normung und zur Bewertung der Zuverlässigkeit der Prüfverfahren abgeleitet
Die ZfP ist im Bauwesen bisher deutlich weniger reguliert (und auch akzeptiert) als in anderen Industriebereichen. Zum Beispiel gibt für die meisten Prüfverfahren weder Normen noch ein allgemein akzeptiertes Ausbildungs- und Zertifizierungssystem.
Dies hat auch Konsequenzen für die Digitalisierung. Im Gegensatz dazu wird im Bauwesen derzeit für viele Bereiche verbindlich ein neues Verfahren zur Unterstützung von Design, Planung, Herstellung und Betrieb eingeführt: BIM (Building Information Modeling). Der Vortrag beleuchtet das Spannungsfeld zwischen dem geringen Organisations- und Standardisierungsgrad und den neuen digitalen Möglichkeiten und stellt den neuen Arbeitskreis zur ZfP 4.0 im Bauwesen vor. Er beleuchtet auch, in welchen Bereichen die ZfP im Bauwesen von Entwicklungen aus „Industrie 4.0“ und der zerstörungsfreien Prüfung in anderen Anwendungsbereichen profitieren kann - z. B. bei Datenformaten, Datenarchivierung und Schnittstellen.
Die ZfP ist im Bauwesen bisher deutlich weniger reguliert (und auch akzeptiert) als in anderen Industriebereichen. Zum Beispiel gibt für die meisten Prüfverfahren weder Normen noch ein allgemein akzeptiertes Ausbildungs- und Zertifizierungssystem.
Dies hat auch Konsequenzen für die Digitalisierung. Im Gegensatz dazu wird im Bauwesen derzeit für viele Bereiche verbindlich ein neues Verfahren zur Unterstützung von Design, Planung, Herstellung und Betrieb eingeführt: BIM (Building Information Modeling). Der Vortrag beleuchtet das Spannungsfeld zwischen dem geringen Organisations- und Standardisierungsgrad und den neuen digitalen Möglichkeiten und stellt den neuen Arbeitskreis zur ZfP 4.0 im Bauwesen vor. Er beleuchtet auch, in welchen Bereichen die ZfP im Bauwesen von Entwicklungen aus „Industrie 4.0“ und der zerstörungsfreien Prüfung in anderen Anwendungsbereichen profitieren kann - z. B. bei Datenformaten, Datenarchivierung und Schnittstellen.
Messen heißt wissen. Dieses Wissen spiegelt die Realität wider und soll den Statiker eines bestehenden Bauwerkes bei der Entscheidungsfindung über die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Konstruktion unterstützen. Gegenüber dem Neubauentwurf können bei der Bewertung von bestehender Bausubstanz Sicherheitsreserven genutzt werden, da Unsicherheiten, die beim Bau auftreten können, besser bekannt oder nicht mehr vorhanden sind. Können solche Unsicherheiten genauer bewertet werden, z. B. durch die Feststellung der genauen Lage der Spannglieder bei einer Spannbetonbrücke, so können Sicherheitsbeiwerte reduziert werden, ohne dass es dabei zu Auswirkungen auf das normativ festgelegte Zuverlässigkeitsniveau kommt. Mittlerweile sind Prüfmethoden an Bauwerken wirtschaftlich einsetzbar und auch so leistungsfähig, dass die für die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit wesentlichen Parameter identifiziert werden können. Ein wesentlicher Punkt ist hierbei die Integration derartiger Messergebnisse in Rechenmodelle, die für die Nachrechnung des Bauwerks verwendet werden. Dies können sowohl semiprobabilistische Rechenmodelle als auch vollprobabilistische Modelle sein. Bei semiprobabilistischen Methoden können aus den Messergebnissen Teilsicherheitsbeiwerte berechnet und abgeleitet werden, die dann in den bekannten Nachweisformaten gemäß den Eurocodes und der Nachrechnungsrichtlinie berücksichtigt werden. Bei vollprobabilistischen Nachweisen können die Messdaten in Form von Verteilungsdichtefunktionen mit gemessenen Variationskoeffizienten direkt in das Rechenmodell eingehen.
Im vorliegenden Artikel werden die Ergebnisse des Fragebogens der DGZfP zur Thematik „ZfP 4.0“ vorgestellt und diskutiert. Die Befragung zielte darauf ab, das allgemeine Verständnis der ZfP-Community zur Begrifflichkeit „ZfP 4.0“ herauszuarbeiten und daraus Bedarfe und Handlungsempfehlungen für die identifizierten Herausforderungen abzuleiten. Außerdem zeigt sich aus Sicht der Autor*innen, dass relevante Terminologien zu dem Themenkomplex Digitalisierung einer weiteren Klärung bedürfen, was im Bericht aufgegriffen wird. Im Ausblick zu den angelaufenen Arbeiten im nationalen Fachausschuss ZfP 4.0 und in den sich etablierenden internationalen Fachkreisen werden daraus abgeleitete Perspektiven für die Zukunftsgestaltung vorgestellt.
Im Zeitalter von Industrie 4.0 muss die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) mit den Anforderungen Schritt halten. Eine erfolgreiche Umsetzung von Digitalisierung, Automatisierung, komplexen Vernetzungen, künstlicher Intelligenz, Assistenzsystemen, intelligenten Sensortechnologien etc. hängt in hohem Maße mit einer erfolgreichen und optimalen Mensch-Maschine-Interaktion (MMI) zusammen. Auf dem Gebiet der ZfP wurde erkannt, dass mit zunehmender Automatisierung neue Herausforderungen in Bezug auf die Mensch-Maschine-Interaktion entstehen können: Herausforderungen, die angegangen werden müssen.
Der neu gegründete DGZfP FA "ZfP 4.0" hat sich diesem Thema angenommen und einen Unterausschuss (UA) zur Mensch-Maschine-Interaktion gegründet. Die Ziele dieses Unterausschusses bestehen darin, das Bewusstsein für die Mensch-Maschine-Interaktion in der ZfP zu sensibilisieren, sowie die Akzeptanz neuer Technologien in Hinblick auf Mensch-Maschine-Systeme und deren Umsetzung zu schaffen, um die Zuverlässigkeit und die Effektivität (Kostenreduktion + Sicherheit) der Mensch-Maschine-Systeme durch optimierte Mensch-Maschine-Interaktion zu gewährleisten. Einige der Themen, mit denen sich dieser UA auseinandersetzten möchte, sind: Entwurf und Entwicklung neuer Schnittstellen, Implementierung neuer Schnittstellen, Optimierung bestehender Technologien und Schnittstellen, Ausarbeitung von Technologien für das optimale MMI, Berücksichtigung der Zuverlässigkeit des gesamten Mensch-Maschine-Systems, Ausarbeitung der Inhalte für die Ausbildung, Wissenstransfer zwischen Disziplinen (z. B Psychologie, Ingenieurwesen, ZfP), usw.
Ziel dieses Vortrags ist es, Herausforderungen zu beschreiben, die Mensch-Maschine-Systeme im Zeitalter von ZfP 4.0 begegnen könnten. Dazu gehören beispielsweise Vertrauen in automatisierte Systeme, Out-of-the-Loop-Phänomene, Verlust von Fähigkeiten, Akzeptanz der Automatisierung, Usability, usw.
Im Zeitalter von Industrie 4.0 muss die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) mit den Anforderungen Schritt halten. Die erfolgreiche Umsetzung von Digitalisierung, Automatisierung, komplexer Vernetzung, künstlicher Intelligenz, Assistenzsystemen, intelligenten Sensortechnologien usw. hängt stark mit einer erfolgreichen und optimalen Mensch-Maschine-Interaktion (MMI) zusammen. In der ZfP 4.0 wird sich die Rolle des Prüfers zum flexiblen Problemlöser und Entscheider verändern. Dieser Wandel wird andere Anforderungen an die Prüfer stellen und eine andere Organisation der Prüfung, Ausbildung etc. erfordern. Der Mensch wird also weiterhin im Mittelpunkt der ZfP stehen. Zu den Herausforderungen, die dieser Wandel mit sich bringen wird, gehören das Vertrauen in automatisierte Systeme und die Akzeptanz neuer Technologien, für die Wege gefunden werden müssen, um sie zu bewältigen.
Metallische Druckgefäße werden aus Gründen der Gewichtseinsparung zunehmend durch Composite-Druckgefäße ersetzt. Während der Alterungsprozess bei metallischen Druckgefäßen durch Wöhlerkurven hinreichend beschrieben wird, ist der Alterungsmechanismus bei Composite-Druckgefäßen noch nicht vollständig geklärt. Im Rahmen des BAM-interne Themenfeldprojekts COD-AGE werden mit diversen Verfahren alterungsbegleitende, zerstörungsfreie Prüfungen an Composite-Druckgefäßen durchgeführt. Nach einem kurzen Überblick über die BAM und den FB 8.4 werden zunächst die allgemeine Funktionsweise der Wirbelstromprüfung und die bildgebende Wirbelstromprüfung erklärt. Anschließend werden Ergebnisse der konventionellen und hochfrequenten Wirbelstromprüfung vorgestellt.
Der letzte Teil des Vortrages beschäftigt sich mit der Prüfbarkeit von Kunststoffen aus Kunstharz und 3D-Druck mit dem Wirbelstromverfahren durch Zugabe ferromagnetischer Nanopartikel bzw. Verwendung von ferromagnetischem Filament.
Metallische Druckgefäße werden aus Gründen der Gewichtseinsparung zunehmend durch Composite-Druckgefäße ersetzt. Während der Alterungsprozess bei metallischen Druckgefäßen durch Wöhlerkurven hinreichend beschrieben wird, ist der Alterungsmechanismus bei Composite-Druckgefäßen noch nicht vollständig geklärt. Im Rahmen des BAM-interne Themenfeldprojekts COD-AGE werden mit diversen Verfahren alterungsbegleitende, zerstörungsfreie Prüfungen an Composite-Druckgefäßen durchgeführt. Im ersten Teil dieses Vortrages werden Ergebnisse der konventionellen und hochfrequenten Wirbelstromprüfung vorgestellt.
Der zweite Teil des Vortrages beschäftigt sich mit der Prüfbarkeit von Kunststoffen aus Kunstharz und 3D-Druck mit dem Wirbelstromverfahren durch Zugabe ferromagnetischer Nanopartikel bzw. Verwendung von ferromagnetischem Filament.
Composite-Druckgefäße für den Gefahrguttransport sowie für Wasserstoff- und Erdgasfahrzeuge bestehen aus einem lasttragenden Composite und einer gasdichten, metallischen oder polymeren Barriereschicht (Liner). Zur Untersuchung des Alterungsverhaltens solcher Composite-Druckgefäße wurde in der BAM das interdisziplinäre Themenfeldprojekt COD-AGE durchgeführt. Ziel des Projektes war die Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung und Bestimmung des Alterungsverhaltens von Carbonfaser-Compositen am Beispiel von Druckgefäßen, um eine bessere Vorhersage der Alterung und der sicheren Gebrauchsdauer zu ermöglichen. Ein Schwerpunkt in diesem Projekt war die Bereitstellung geeigneter ZfP-Methoden. Dabei ging es sowohl um versuchsbegleitende Prüfungen, als auch um die mögliche Entwicklung von Prüfeinrichtungen für den späteren praktischen Gebrauch.
In dem Vortrag werden Prüfergebnisse der alterungsbegleitenden Wirbelstromprüfung an Composite-Druckgefäßen vorgestellt.
In Alterungsversuchen wurden Druckgefäße aus einem ca. 4 mm dicken Aluminiumliner und ca. 8 mm dicker CFK-Ummantelung untersucht. Typisches Einsatzgebiet solcher Druckgefäße sind Atemschutzgeräte der Feuerwehr. Die Druckgefäße wurden sowohl mit konventioneller Wirbelstromtechnik von außen und von innen als auch mit hochfrequenter Wirbelstromtechnik von außen geprüft. Es konnten sowohl Beschädigungen des metallischen Liners, als auch Strukturen des CFK-Geflechts nachgewiesen werden. Eine besondere mechanische Herausforderung bestand in der Prüfung der Innenseite der Liner, da hier eine zylindrische Fläche mit einem Innendurchmesser von 150 mm durch einen Zugang von nur 15 mm Durchmesser geprüft werden muss.
Composite-Druckgefäße für den Gefahrguttransport sowie für Wasserstoff- und Erdgasfahrzeuge bestehen aus einem lasttragenden Composite und einer gasdichten, metallischen oder polymeren Barriereschicht (Liner). Zur Untersuchung des Alterungsverhaltens solcher Composite-Druckgefäße wurde in der BAM das interdisziplinäre Themenfeldprojekt COD-AGE durchgeführt. Ziel des Projektes war die Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung und Bestimmung des Alterungsverhaltens von Carbonfaser-Compositen am Beispiel von Druckgefäßen, um eine bessere Vorhersage der Alterung und der sicheren Gebrauchsdauer zu ermöglichen. Ein Schwerpunkt in diesem Projekt war die Bereitstellung geeigneter ZfP-Methoden. Dabei ging es sowohl um versuchsbegleitende Prüfungen, als auch um die mögliche Entwicklung von Prüfeinrichtungen für den späteren praktischen Gebrauch.
In dem Vortrag werden Prüfergebnisse der alterungsbegleitenden Wirbelstromprüfung an Composite-Druckgefäßen vorgestellt.
In Alterungsversuchen wurden Druckgefäße aus einem ca. 4 mm dicken Aluminiumliner und ca. 8 mm dicker CFK-Ummantelung untersucht. Typisches Einsatzgebiet solcher Druckgefäße sind Atemschutzgeräte der Feuerwehr. Die Druckgefäße wurden sowohl mit konventioneller Wirbelstromtechnik von außen und von innen als auch mit hochfrequenter Wirbelstromtechnik von außen geprüft. Es konnten sowohl Beschädigungen des metallischen Liners, als auch Strukturen des CFK-Geflechts nachgewiesen werden. Eine besondere mechanische Herausforderung bestand in der Prüfung der Innenseite der Liner, da hier eine zylindrische Fläche mit einem Innendurchmesser von 150 mm durch einen Zugang von nur 15 mm Durchmesser geprüft werden muss.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Eigenschaften der photonenzählenden und spektralauflösenden Detektortechnik und möglichen Anwendungsgebieten in der zerstörungsfreien Prüfung. Dabei wurden konventionelle und photonenzählende Detektortechniken hinsichtlich der Bildqualität und Anwendbarkeit bei unterschiedlichen Prüfaufgaben verglichen und untersucht, inwiefern sich die Energieschwellwertsetzung auf die erreichbare Bildqualität und eine Materialdiskriminierbarkeit bei verschiedenen radiographischen Verfahren auswirkt.
Anhand von Anwendungsbeispielen wurden diese Eigenschaften und deren Auswirkung auf das Messergebnis analysiert. Neben der Radiographie wurden auch dreidimensionale Verfahren wie CT und Laminographie berücksichtigt.
Als eine der wichtigsten Eigenschaften der photonenzählenden Detektortechnik wurden zunächst die Energieauflösung des photonenzählenden Detektors und die Homogenität der Energieantwort über größere Detektorbereiche bestimmt. Dabei stellte sich heraus, dass die Energieauflösung eines abgegrenzten Detektorbereichs ca. 32 % bei 60 keV beträgt und die Streuung in der Energieantwort der einzelnen Detektorbereiche ca. 12 % ausmacht, woraus sich eine Gesamtunsicherheit in der spektralen Detektorantwort von ca. 44 % ergibt. Die geringe Energieauflösung und das stark heterogene Verhalten der Detektorbereiche ergeben sich vor allem aus der Detektorelektronik, welche nur eine globale Energieschwellwertsetzung zulässt.
Trotz dieser Einschränkungen konnte demonstriert werden, dass auch konventionelle radiographische Verfahren, wie Radiographie oder CT, vom Einsatz der photonenzählenden Technik profitieren. So ist es mit dieser Technik möglich, bei sehr geringen Dosisleistungen (z.B. aufgrund der Durchstrahlung großer Wandstärken von dichten Materialien) noch sehr gute Bildqualitäten zu erreichen. Die hohe Dynamik und Kontrastempfindlichkeit dieser Technik begünstigen die Inspektion von Leichtbauwerkstoffen wie Faserverbunde, was anhand von Vergleichen mit herkömmlicher Detektortechnik und anderen ZfP-Verfahren gezeigt werden konnte. Daneben konnte durch den Einsatz der Energieschwellwertsetzung der Einfluss von nicht bildzeichnender Streustrahlung im Röntgenbild um bis zu 20 % reduziert werden. Die Auswirkungen von Aufhärtungseffekten in der CT konnten sogar um bis zu Faktor 1 000 (in der mittleren quadratischen Abweichung), im Vergleich zu herkömmlicher Detektortechnik, reduziert werden.
Der Einsatz von photonenzählender Detektortechnik mit Röntgenblitzröhren ist hingegen nicht sinnvoll, da aufgrund der hohen Photonendichte pro Puls und einer endlichen Totzeit des Detektors in der Größenordnung der Pulsbreite eines Blitzes nur ein geringes Signal detektiert werden kann.
Im Hinblick auf eine Materialdiskriminierbarkeit konnte demonstriert werden, dass im Fall einer Radiographie anhand der Energieschwellwertsetzung im Detektor eine materialstärkenunabhängige Diskriminierung zwischen zwei Materialien (hier: Al und Fe) erzielt werden kann. Unter Einsatz mehrerer Energiefenster und eines Verfahrens der explorativen und multivariaten Datenanalyse konnte eine materialaufgelöste CT eines Multi-Material-Phantoms erreicht werden, wobei die Schwächungskoeffizienten der enthaltenen Materialien im relevanten Energieberiech teilweise sehr dicht beieinander lagen.
Neben Radiographie und CT wurde auch die Möglichkeit einer materialaufgelösten Laminographie am Beispiel eines glasfaserverstärkten Rotorblatts untersucht. Anhand der Energieschwellwertsetzung war nicht nur eine eindeutige Trennung der Glasfasern von der Epoxidharzmatrix möglich, sondern auch eine signifikante Reduzierung der durch die Laminographie entstandenen Artefakte. Der damit verbundene Gewinn an Information führt zu einer verbesserten Aussagefähigkeit des Untersuchungsergebnisses, was letztendlich eine gesteigerte Betriebssicherheit zur Folge hat.
Dieses erste Memorandum zur Lehre und Forschung an deutschsprachigen Hochschulen auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen gibt einen Überblick hinsichtlich der akademischen Ausbildung und zeigt mögliche Schwerpunkte vor allem in der Lehre auf. Diese Schwerpunkte berücksichtigen auch aktuelle Entwicklungen und Themen auf dem Gebiet der Forschung. Es werden Anregungen zur Entwicklung bzw. Weiterentwicklung der Lehr-Curricula im Hinblick auf eine umfassende und solide fachliche Ausbildung der Studierenden des Bauwesens und angrenzender Fachrichtungen gegeben. Inhaltlich und formal lehnt sich der Beitrag an dem Memorandum der Hochschullehrer im Fachgebiet „Werkstoffe im Bauwesen“ (Breit et al., 2012) an und beruht auf einer Initiative des Unterausschusses Ausbildung – Arbeitsgruppe Ausbildung in der Hochschule – des Fachausschusses ZfP im Bauwesen der Deutschen Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP). Die Hauptredaktion wurde übernommen von Prof. Christian U. Grosse (TU München) und Prof. Ralf W. Arndt (FH Erfurt).
Inhalt der Präsentation:
- Einführung in das Prinzip der Laufzeitmessung
- Vorteile bei der Anwendung von Volumenverfahren an Spannbetonbrücken
- Möglichkeiten zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von ZfP-Verfahren und zur Verwendung der Messergebnisse in probabilistischen Nachweisen von Bestandstragwerken
Die Schwerpunktthemen für die Forschung der BAM im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung werden vorgestellt. Es stehen die aktuellen Forschungsprojekte der Fachbereiche 8.1 bis 8.7 der Abteilung 8 und des Arbeitsgebietes Probabilistische Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanalysen von Frau Dr. Bertovic sowie der Nachwuchsgruppe von Frau JProf. Dr. Kruschwitz im Vordergrund.
Da derzeit keine zerstörungsfreie Alternative zur Lokalisierung von Leitungswasserschäden in Fußböden existiert, werden in der Regel unter hohem zeitlichen und finanziellen Aufwand Sondierungsbohrungen vorgenommen, um das entnommene Material im Labor thermo-gravimetrisch zu untersuchen. Dabei nehmen Leitungswasserschäden mit rd. 2,6 Milliarden Euro jährlich den deutlich größten Posten bei Gebäudeversicherungen ein. Für derartige Fragestellungen werden seit einigen Jahren Neutronensonden eingesetzt. Mit diesem Verfahren ist es möglich, sich einen Überblick über die Gesamtwassermenge in einem definierten Baustoffvolumen zu verschaffen, jedoch kann flüssiges und chemisch gebundenes Wasser nicht unterschieden werden. Daher werden die Messdaten mit den Ergebnissen der Sondierungsbohrungen kalibriert. So können auch große Flächen wie Industriefußböden in relativ kurzer Zeit größtenteils zerstörungsfrei untersucht werden. Da die integrale Messweise der Neutronensonde allerdings keine Tiefenzuordnung eines gefundenen Feuchteschadens zulässt, muss auch diese Information über die Bohrkerne generiert werden. Die Idee des Projekts ist, durch den parallelen Einsatz des Radarverfahrens in Zukunft auf Sondierungsbohrungen verzichten zu können. Nach der Abgrenzung trockener von feuchten Bereichen über die Neutronensonde, wird das Radarverfahren herangezogen, um typische Schadensfälle zerstörungsfrei zu unterscheiden. In systematischen Laborstudien an modular aufgebauten Referenzprobekörpern untersuchen wir die Nachweisgrenzen und Detektionswahrscheinlichkeiten der beiden Verfahren für verschiedene, häufig anzutreffende Fußbodenaufbauten. Anschließend sollen über Datenfusion und Signalverarbeitung innovative Auswertungsansätze entwickelt werden, welche die Messergebnisse von Neutronensonde und Radar automatisiert zur Gewinnung eines höheren Informationsgehalts und zur Klassifizierung der Schadensfälle kombinieren. Im Rahmen des Projekts wird die erarbeitete Vorgehensweise an real geschädigten Objekten getestet, um die Methode zu etablieren sowie Akzeptanz bei Anwendern und Eigentümern zu schaffen. Könnten durch genauere Schadenseingrenzung die Sanierungskosten um nur 4% gesenkt werden, ergäbe sich in Deutschland eine Kostenreduzierung von ca. 100 Million Euro jährlich.
Die Idee des Dissertationsprojekts ist der parallele Einsatz des Radarverfahrens und der Neutronensonde zur Lokalisierung von Feuchteschäden in Fußbodenaufbauten. Hierbei soll die integrale Messweise der Neutronensonde durch die vertikale Information des Radarsignals ergänzt werden, um zukünftig auf zerstörende Sondierungsbohrungen verzichten zu können. Primäres Ziel ist eine automatisierte und zerstörungsfreie Klassifizierung und Quantifizierung verschiedener Schadensfälle im Fußboden, welche zur Abschätzung und Auswahl des Sanierungsaufwands dienen soll. In systematischen Laborstudien an modular aufgebauten Referenzprobekörpern werden die Nachweisgrenzen der beiden Verfahren für unterschiedliche, häufig anzutreffende Fußbodenaufbauten untersucht. Hierfür wurde ein Satz verschiedenster Estrichprobekörper gefertigt und deren Hydratisierungsprozess gravimetrisch und mit den benannten Feuchtemessverfahren beobachtet. In der laufenden Auswertung konnten bereits signifikante Signalmerkmale der Radarmessungen extrahiert, sowie dessen Korrelation zum Feuchteverlauf der Proben gezeigt werden. Der modulare Aufbau der Fußbodenschichten zur Simulation von gängigen Feuchteschäden folgt im Anschluss. Über Datenfusion und Signalverarbeitung sollen so innovative Auswertungsansätze entwickelt und deren Validität an realen Schadensfällen geprüft werden.
Das Neutronensondenverfahren wird bereits seit vielen Jahren erfolgreich zur Eingrenzung und Quantifizierung auftretender Feuchteschäden an Fußböden eingesetzt. Hierzu bedarf es jedoch einer Vielzahl zerstörender Sondierungsbohrungen, welche die gewonnenen Messdaten kalibrieren und eine Tiefenzuordnung des Flüssigwassers zulassen. Dadurch entsteht ein zeitlicher und finanzieller Aufwand, der durch den parallelen Einsatz des elektromagnetischen Radarverfahrens vermieden werden könnte. Mit seiner hohen Sensitivität für Wasser bietet diese Messmethode die Möglichkeit der vertikalen Lokalisierung von Feuchte, was zu einer automatisierten Klassifizierung typischer Schadensfälle beitragen soll.
In einem laufenden Forschungsvorhaben werden in systematischen Laborstudien gängige Schadensfälle an häufig anzutreffenden Fußbodenaufbauten simuliert und deren Einfluss auf die genannten Verfahren untersucht. Hierbei kommen Zement- und Anhydritestriche, sowie unterschiedliche Dämmmaterialen mit variierenden Schichtdicken zum Einsatz. Wesentlicher Bestandteil der Auswertung ist die Extraktion signifikanter Signalmerkmale des Radarverfahrens, welche Rückschlüsse auf den Schadensfall und ggf. die Wassermenge zulassen. Weiterführend sollen die Kombinationsmöglichkeiten der verschiedenen Signalmerkmale und der Neutronensondendaten durch Methoden der multivariaten Datenauswertung und des maschinellen Lernens geprüft werden. Die Unabhängigkeit gegenüber wechselnden Schichtdicken und Materialien steht hierbei besonders im Fokus und soll anhand der erzielten Ergebnisse evaluiert werden.
Das Neutronensondenverfahren wird bereits seit vielen Jahren erfolgreich zur Eingrenzung und Quantifizierung auftretender Feuchteschäden an Fußböden eingesetzt. Hierzu bedarf es jedoch einer Vielzahl zerstörender Sondierungsbohrungen, welche die gewonnenen Messdaten kalibrieren und eine Tiefenzuordnung des Flüssigwassers zulassen. Dadurch entsteht ein zeitlicher und finanzieller Aufwand, der durch den parallelen Einsatz des elektromagnetischen Radarverfahrens vermieden werden könnte. Mit seiner hohen Sensitivität für Wasser bietet diese Messmethode die Möglichkeit der vertikalen Lokalisierung von Feuchte, was zu einer automatisierten Klassifizierung typischer Schadensfälle beitragen soll.
In einem laufenden Forschungsvorhaben werden in systematischen Laborstudien gängige Schadensfälle an häufig anzutreffenden Fußbodenaufbauten simuliert und deren Einfluss auf die genannten Verfahren untersucht. Hierbei kommen Zement- und Anhydritestriche, sowie unterschiedliche Dämmmaterialen mit variierenden Schichtdicken zum Einsatz. Wesentlicher Bestandteil der Auswertung ist die Extraktion signifikanter Signalmerkmale des Radarverfahrens, welche Rückschlüsse auf den Schadensfall und ggf. die Wassermenge zulassen. Weiterführend sollen die Kombinationsmöglichkeiten der verschiedenen Signalmerkmale und der Neutronensondendaten durch Methoden der multivariaten Datenauswertung und des maschinellen Lernens geprüft werden. Die Unabhängigkeit gegenüber wechselnden Schichtdicken und Materialien steht hierbei besonders im Fokus und soll anhand der erzielten Ergebnisse evaluiert werden.
Nuklear magnetische Resonanz (NMR) etabliert sich zunehmend im Bauingenieurwesen als eine alternative Methode zur zerstörungsfreien Feuchtebestimmung in Baustoffen. Schäden, die durch einen zu hohen Anteil an Flüssigwasser auftreten können, sind Ablösungen, Korrosion, Frostschäden, Induktion von Salzkristallisationen, etc. Aufgrund der Sensitivität für 1H-Protonen, ist NMR eine geeignete Methode zur Feuchtedetektion. Dabei kann laut Theorie zwischen frei, chemisch oder physikalisch gebundenem Wasser differenziert werden, während in der Praxis abhängig von der Messtechnik und Probengröße größtenteils nur das freie Wasser detektierbar ist. Mithilfe der NMR Relaxometrie lassen sich nicht nur Relaxationsabklingkurven ermitteln, sondern auch Relaxationszeitenverteilungen, sowie bei Vollsättigung ggf. eine Porengrößenverteilung ableiten. Darüber hinaus lassen sich erste Annahmen über die Entwicklung der Porensättigung bei Teilsättigung der Probe treffen.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der zeitlichen Entwicklung der Porensättigung während des natürlichen Trocknungsprozesses (Teilsättigung) sowie die Ermittlung der Porengrößenverteilung an Beispiel von zementgebundenen Estrichen. Für den Versuch wurden zwei zementgebundene Estrichproben nach abgeschlossener Hydratation wieder aufgesättigt. Während des anschließenden natürlichen Trocknungsprozesses wurden regelmäßig NMR-Messungen durchgeführt sowie die Massenentwicklung observiert. Hauptfokus lag auf der zeitlichen und tiefenabhängigen Entwicklung der Relaxationszeitenverteilungen. Bei fortschreitender Trocknung der Proben konnte eine Verschiebung des Maximums der Relaxationszeitenverteilung zu kleineren Zeiten beobachtet werden. Die Ursache liegt zum einen in dem abnehmenden Anteil an freiem Wasser in größeren Poren und zum anderen in dem verhältnismäßig zunehmenden Signalanteil durch Wasser in kleineren Poren.
Durch den Vergleich mit Quecksilberporosimetrie und Gas-Adsorptions-Ergebnissen, konnte aus den NMR-Daten eine unimodale Porengrößenverteilung mit einer dominanten Porengröße von 0,08 bis 0,1 µm und eine effektive Oberflächenrelaxivität von ca. 10 bis 30 µm/s abgeleitet werden.
Mit additiven Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile und Produkte aus Kunststoffen werden zunehmend nicht mehr nur als Prototypen, sondern als voll funktionsfähige Bauteile und Produkte gefertigt. Bedingt durch die Fertigungsprozesse und den schichtweisen Aufbau resultieren physikalische Materialeigenschaften, die stark von den Fertigungsparametern abhängen und zudem anisotrop sind. Von den Fertigungsparametern werden auch die Oberflächeneigenschaften beeinflusst, sodass zu erwarten ist, dass sich die Beständigkeit gegenüber äußeren Umwelteinflüssen bei additiv gefertigten Bauteilen von der konventionell gefertigter unterscheiden kann. Nachfolgend wird daher die Entwicklung eines Qualitätssicherungskonzeptes basierend auf spektroskopischen und zerstörungsfreien Prüfverfahren vorgestellt, in dem der Alterungsprozess von mittels Fused Deposition Modelling (FDM) und mittels Lasersintering (LS) hergestellten Probekörpern untersucht wird.
Mit additiven Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile und Produkte aus Kunststoffen werden zunehmend nicht mehr nur als Prototypen, sondern als voll funktionsfähige Bauteile und Produkte gefertigt. Bedingt durch die Fertigungsprozesse und den schichtweisen Aufbau resultieren physikalische Materialeigenschaften, die stark von den Fertigungsparametern abhängen und zudem anisotrop sind. Von den Fertigungsparametern werden auch die Oberflächeneigenschaften beeinflusst, sodass zu erwarten ist, dass sich die Beständigkeit gegenüber äußeren Umwelteinflüssen bei additiv gefertigten Bauteilen von der konventionell gefertigter unterscheiden kann. Nachfolgend wird daher die Entwicklung eines Qualitätssicherungskonzeptes basierend auf spektroskopischen und zerstörungsfreien Prüfverfahren vorgestellt, in dem der Alterungsprozess von mittels Fused Deposition Modelling (FDM) und mittels Lasersintering (LS) hergestellten Probekörpern untersucht wird.
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.
Es wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS und mittels Laser Sintering (LS) Probekörper aus PA 12 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.
Die Erkenntnisse dienen für die Entwicklung einer Strategie für eine Qualitätskontrolle von additiv gefertigten Kunststoffteilen.
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.
The quantification of experimental and data analysis errors is most of the times jeopardised by the presence of surface roughness, waviness, as well as by typical measurement artefacts of the XCT technique (for instance refraction at sharp edges). One way to at least estimate the influence of those factors on dimensional measurements and on tolerances is to simulate them using Monte-Carlo method. An alternative strategy is to use independent knowledge (e.g. CMM data) to smoothen/calibrate/correct XCT data.
X-Ray computed tomography (XCT) scan of 11 individual metallic powder particles, made of (Mn,Fe)2(P,Si) alloy. The data set consists of 4 single XCT scans which have been stitched together [3] after reconstruction. The powder material is an (Mn,Fe)2(P,Si) alloy with an average density of 6.4 g/cm³. The particle size range is about 100 - 150 µm with equivalent pore diameters up to 75 µm. The powder and the metallic alloy are described in detail in [1, 2].
Until the 1980s radiography was used to inspect civil structures in case of special demands and showed a much better resolution than other NDT techniques. However, due to safety concerns and cost issues, this method is almost never used anymore. Meanwhile, non-destructive techniques such as ultrasound or
radar have found regular, successful practical application but sometimes suffer from limited resolution and accuracy, imaging artefacts or restrictions in detecting certain features when applied to reinforced or prestressed concrete inspection.
Muon tomography has received much attention recently. Muons are particles generated naturally by cosmic rays in the upper atmosphere and pose no risk to humans. Novel detectors and tomographic imaging algorithms have opened new fields of application, mainly in the nuclear sector, but also in spectacular cases such as the Egyptian pyramids.
As a first step towards practical application in civil engineering and as a proof of concept we used an existing system to image the interior of a reference reinforced 600 kg concrete block. Even with a yet not optimized setup for this kind of investigation, the muon imaging results have been at least of similar quality compared to ultrasonic and radar imaging, potentially even better. Recently, the research was expanded to more realistic testing problems such as the detection of voids in certain structural elements. However, before practical implementation, more robust, mobile, and affordable detectors would be required as well as user-Friendly imaging and simulation software.
X-rays without X-rays: Can muon tomography provide pictures from within concrete and other objects?
(2024)
Until the 1980s radiography was used to inspect civil structures in case of special demands and showed a much better resolution than other NDT techniques. However, due to safety concerns and cost issues, this method is almost never used anymore. Meanwhile, non-destructive techniques such as ultrasound or
radar have found regular, successful practical application but sometimes suffer from limited resolution and accuracy, imaging artefacts or restrictions in detecting certain features when applied to reinforced or prestressed concrete inspection.
Muon tomography has received much attention recently. Muons are particles generated naturally by cosmic rays in the upper atmosphere and pose no risk to humans. Novel detectors and tomographic imaging algorithms have opened new fields of application, mainly in the nuclear sector, but also in spectacular cases such as the Egyptian pyramids.
As a first step towards practical application in civil engineering and as a proof of concept we used an existing system to image the interior of a reference reinforced 600 kg concrete block. Even with a yet not optimized setup for this kind of investigation, the muon imaging results have been at least of similar quality compared to ultrasonic and radar imaging, potentially even better. Recently, the research was expanded to more realistic testing problems such as the detection of voids in certain structural elements. However, before practical implementation, more robust, mobile, and affordable detectors would be required as well as user-Friendly imaging and simulation software.
The talk also discusses other applications , such as volcanology, mining and geothermal exploration.
X-ray refraction is analogous to visible light deflection by matter; it occurs at boundaries between different media. The main difference between visible light and X-rays is that in the latter case deflection angles are very small, from a few seconds to a few minutes of arc (i.e., the refraction index n is near to 1). Trivially but importantly, deflection of X-rays is also sensitive to the orientation of the object boundaries. These features make X-ray refraction techniques extremely suitable to a) detect defects such as pores and microcracks and quantify their densities in bulk (not too heavy) materials, and b) evaluate porosity and particle properties such as orientation, size, and spatial distribution (by mapping). While X-ray refraction techniques cannot in general image single defects, their detectability is simply limited by the wavelength of the radiation.
We thereby show the application of X-ray refraction 2D mapping (topography) and tomography to different sorts of problems in materials science and technology: 1) Sintering of SiC green bodies; 2) Porosity analysis in additively manufactured alloys; 3) Fiber de-bonding in metal and polymer matrix composites.
Such techniques, especially at the Synchrotron BESSY II, Berlin, Germany, can be used in-situ, i.e. when the specimen is subjected to temperatures or external loads. Applications of in-situ X-ray refraction radiography on aluminum alloys and composites are also shown.
The use of X-ray refraction analysis yields quantitative information, which can be directly input in kinetics, mechanical and damage models.
For the first time, X-ray refraction techniques are proven for the identification of void formation in Ti-6Al-4V parts produced by selective laser melting. The topology and volume fraction of pores are measured in samples produced with different laser energy density. Unique X-ray refraction methods identify different kinds of defects, characteristic to the regions below and above the Optimum laser energy density, namely unprocessed powder (unmolten powder particles, balling effect, and Fusion defects) from empty keyhole pores. Furthermore, it is possible to detect small inhomogeneities (voids or cracks) with sizes below the spatial resolution of optical microscopy and X-ray computed tomography.
X-ray refraction is analogous to visible light deflection by matter; it occurs at boundaries between different media. The main difference between visible light and X-rays is that in the latter case deflection angles are very small, from a few seconds to a few minutes of arc (i.e., the refraction index n is near to 1). Importantly, deflection of X-rays is also sensitive to the orientation of the object boundaries. These features make X-ray refraction techniques extremely suitable to a) detect defects such as pores and microcracks and quantify their densities in bulk (not too heavy) materials, and b) evaluate porosity and particle properties such as orientation, size, and spatial distribution (by mapping). While X-ray refraction techniques cannot in general image single defects, they can detect objects with size above a few wavelengths of the radiation.
Such techniques, especially at the Synchrotron BESSY II, Berlin, Germany, can be used in-situ, i.e. when the specimen is subjected to temperatures or external loads.
The use of X-ray refraction analysis yields quantitative information, which can be directly input in kinetics, mechanical and damage models.
We hereby show the application of non-destructive X-ray refraction radiography (SXRR, 2D mapping also called topography) to problems in additive manufacturing:
1) Porosity analysis in PBF-LM-Ti64. Through the use of SXRR, we could not only map the (very sparse) porosity distribution between the layers and quantify it, but also classify, and thereby separate, the filled porosity (unmolten powder) from the keyhole and gas pores (Figure 1).
2) In-situ heat treatment of laser powder bed fusion PBF-LM-AlSi10Mg to monitor microstructure and porosity evolution as a function of temperature (Figure 2). By means of SXRR we indirectly observed the initial eutectic Si network break down into larger particles as a function of increasing temperature. We also could detect the thermally induced porosity (TIP). Such changes in the Si-phase morphology upon heating is currently only possible using scanning electron microscopy, but with a much smaller field-of-view. SXRR also allows observing the growth of some individual pores, usually studied via X-ray computed tomography, but again on much smaller fields-of-view.
Our results show the great potential of in-situ SXRR as a tool to gain in-depth knowledge of the defect distribution and the susceptibility of any material to thermally induced damage and/or microstructure evolution over statistically relevant volumes.
Functional materials for energy conversion are important technology drivers needed for the implementation of low carbon energy. Therefore, researchers commonly focus on improving the intrinsic properties of a functional material. However, for applications, the extrinsic properties are at least as important as the intrinsic ones. Consequently, it is important to investigate and understand the external and internal structure of semi-finished products and especially defect dependent properties. The extrinsic properties may change during application and the life cycle of the material as well as through processing and molding steps. Our studies show how X-ray tomographic (XCT) investigations can contribute to structure investigations in composites and massive samples using the example of magnetic materials for energy conversion.
The literature has shown that the application of laminography provides advantages as 3D radiographic imaging with depth information for in house and mobile testing. This permits to distinguish between overlapping indications, measure the extension along radiation direction and classify indications as surface open or subsurface
ones as required in critical engineering assessment. This work provides a comparative study and measurements of the three techniques Digital Radiography (DR) with Digital Detector Arrays (DDA), Coplanar Translational Laminography (CTL) and Computed Tomography (CT), applied for composite pipeline inspection. It is demonstrated that CTL and CT provide advantages for the evaluation of pipe-to-pipe connections and the evaluation of adhesive applications. They show indications of discontinuities with higher contrast sensitivity than radiography.
Beyond it, two specimen, namely Phantom 1 and Phantom 2, were developed and manufactured by additive manufacturing to analyze the preferential detection sensitivity and the direction of features and depth information for laminographic measurements. Another goal was to show the laminographic capabilities to distinguish between overlapping discontinuities. CTL is especially suitable for mobile inspection. Special glass fiber reinforced polymer samples (GRP) were manufactured for further analysis and comparisons between the abovementioned techniques. Finally, Phantoms 1 and 2 show the capability of laminography to detect overlapping indications and also show that discontinuities oriented perpendicular to the scan direction have the highest contrast sensitivity for laminographic measurements.
Additively manufactured (AM) metallic sheet-based Triply Periodic Minimal Surface Structures (TPMSS) meet several requirements in both bio-medical and engineering fields: Tunable mechanical properties, low sensitivity to manufacturing defects, mechanical stability, and high energy absorption. However, they also present some challenges related to quality control, which can prevent their successful application. In fact, the optimization of the AM process is impossible without considering structural characteristics as manufacturing accuracy, internal defects, as well as surface topography and roughness. In this study, the quantitative non-destructive analysis of TPMSS manufactured from Ti-6Al-4V alloy by electron beam melting was performed by means of X-ray computed tomography (XCT). Several advanced image analysis workflows are presented to evaluate the effect of build orientation on wall thicknesses distribution, wall degradation, and surface roughness reduction due to the chemical etching of TPMSS. It is shown that the manufacturing accuracy differs for the structural elements printed parallel and orthogonal to the manufactured layers. Different strategies for chemical etching show different powder removal capabilities and both lead to the loss of material and hence the gradient of the wall thickness. This affects the mechanical performance under compression by reduction of the yield stress. The positive effect of the chemical etching is the reduction of the surface roughness, which can potentially improve the fatigue properties of the components. Finally, XCT was used to correlate the amount of retained powder with the pore size of the functionally graded TPMSS, which can further improve the manufacturing process.
X-ray back scatter imaging is rarely applied compared to classical X-ray projection imaging. More than 20 years ago the company Philips developed “COMSCAN”, a first application case for aircraft industry, which allowed even a depth resolution using back scatter imaging. The company AS&E in Boston offers back scatter imaging solutions for the security market. The principle is to scan the object with a highly collimated X-ray needle beam from one side only and to detect the backscattered radiation by a large area detector side by side with the collimation wheel. A new prototype is investigated at BAM for application and optimization in non-destructive testing. As modern industrial application field in-situ inspection in additive manufacturing is targeted. The accessibility of the printed part during the production process is very limited. This prevent the application of a two sided X-ray inspection or Computed Tomography, were an rotation of the object is required to acquire projections from 360 degrees. An important advantage for the X-ray back scatter technique are also the materials used in additive manufacturing (polymers, ceramics, light metals like Aluminum or Titanium). These materials with lower density and lower Z values give better scatter signals than metals with higher densities and Z values. The back scatter intensity decreases with increasing density and Z value of the material. But the requirements on spatial resolution and contrast sensitivity are more stringent for non-destructive testing of additive manufactured parts compared to the security area. In NDT sizes of indications smaller than 1 mm have to be detected clearly. The investigation of these limits on a state-of-the-art prototype for X-ray back scattering using rotating collimated X-ray needle beams is a part of the BAM project “ProMoAM”. The contribution shows first results of the optimization for NDT and the achieved application limits for several example cases.
X-ray back scatter imaging is rarely applied compared to classical X-ray projection imaging. 20 years ago the company Philips developed “COMSCAN”, a first application case in the aircraft industry, which allowed even a depth resolution using back scatter imaging. The company AS&E in Boston offers back scatter imaging solutions for the security market. Their principle is to scan the object with a highly collimated X-ray needle beam from one side only and detect the backscattered radiation by a large area detector side by side with the collimation wheel. A new prototype is investigated at BAM for application and optimization in non-destructive testing. As modern industrial application field in-situ testing in additive manufacturing is targeted. The accessibility of the printed part during the production process is very limited. This prevent the application of a two sided X-ray inspection or Computed Tomography, were an rotation of the object is required to acquire projections from 360 degrees. An important advantage for the X-ray back scatter technique are also the materials used in additive manufacturing (polymers, ceramics, light metals like Aluminum or Titanium). These materials with lower density and lower Z values give better scatter signals than metals with higher densities and Z values. The back scatter intensity decreases with increasing density and Z value of the material. But the requirements on spatial resolution and contrast sensitivity are more stringent for non-destructive testing of additive manufactured parts compared to the security area. In NDT sizes of indications smaller than 1 mm have to be detected clearly. The investigation of these limits on a stateof-the-art prototype for X-ray back scattering using rotating collimated X-ray needle beams is a part of the BAM project “ProMoAM”. The contribution shows first results of the optimization for NDT and the achieved application limits for several example cases.
X-ray back scatter imaging is rarely applied compared to classical X-ray projection imaging. 20 years ago the company Philips developed “COMSCAN”, a first application case in the aircraft industry, which allowed even a depth resolution using back scatter imaging. The company AS&E in Boston offers back scatter imaging solutions for the security market. Their principle is to scan the object with a highly collimated X-ray needle beam from one side only and detect the backscattered radiation by a large area detector side by side with the collimation wheel. A new prototype is investigated at BAM for application and optimization in non-destructive testing. As modern industrial application field in-situ testing in additive manufacturing is targeted. The accessibility of the printed part during the production process is very limited. This prevent the application of a two sided X-ray inspection or Computed Tomography, were an rotation of the object is required to acquire projections from 360 degrees. An important advantage for the X-ray back scatter technique are also the materials used in additive manufacturing (polymers, ceramics, light metals like Aluminum or Titanium). These materials with lower density and lower Z values give better scatter signals than metals with higher densities and Z values. The back scatter intensity decreases with increasing density and Z value of the material. But the requirements on spatial resolution and contrast sensitivity are more stringent for non-destructive testing of additive manufactured parts compared to the security area. In NDT sizes of indications smaller than 1 mm have to be detected clearly. The investigation of these limits on a stateof-the-art prototype for X-ray back scattering using rotating collimated X-ray needle beams is a part of the BAM project “ProMoAM”. The contribution shows first results of the optimization for NDT and the achieved application limits for several example cases.
Mit Hilfe der Computertomographie können zerstörungsfrei Bilder des Bodengefüges gewonnen werden. Sowohl die verschiedene Dichte des Bodens als auch Hohlräume und Poren sowie Wurzeln und anderes organisches Material können dargestellt werden. Die Wurzeln werden dabei lagerichtig wiedergegeben. Begrenzt wird dieses durch die Ortsauflösung des jeweiligen Tomogramms.
Ist die Methode für eine Fragestellung aus der landwirtschaftlichen Praxis – Einfluss der Bodenbearbeitung auf das Wurzelbild von Raps – geeignet?
Sehr geehrte Damen und Herren,
liebe Leserinnen und Leser,
bereits im ersten Band der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung hatte ich angeführt, dass bei der Untersuchung von kulturellen Artefakten naturwissenschaftliche Untersuchungsmethoden zunehmend an Bedeutung gewinnen, sie eigentlich unverzichtbar geworden sind.
Ein besonders einprägsames Beispiel dieser fächerübergreifenden Zusammenarbeit zwischen Geisteswissenschaften, Naturwissenschaften und Restaurierungswissenschaften war die Ausstellung Johannes Vermeer. Vom Innehalten, die in diesem Jahr in der Gemäldegalerie Alter Meister in den staatlichen Kunstsammlungen Dresden gezeigt wurde. Eigens für diese Ausstellung wurde das Gemälde Brieflesendes Mädchen am offenen Fenster einer grundlegenden Restaurierung unterzogen. Diese Restaurierung diente jedoch nicht nur der Reparatur des Bildes. Um sich dem ursprünglichen Zustand des Gemäldes zwischen 1657 und 1659 anzunähern, wurden später hinzugefügte Malschichten großflächig abgenommen. Möglich wurde dies durch unterschiedliche, bildgebende materialwissenschaftliche Untersuchungen im Vorfeld, welche die wissenschaftlichen Grundlagen für die Diskussion über den weiteren Umgang mit der Lesenden schufen.
Materialanalytische Verfahren wurden und werden ständig weiterentwickelt und optimiert. Sei es, um aus einer Vielzahl von Einzelmessungen ein Gesamtbild zu erstellen, oder die Größe einer Probenentnahme so zu reduzieren, dass von einer „minimal-invasiven“ oder „quasi nicht-invasiven“ Untersuchung ausgegangen werden kann. Nun feiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, zusammen mit ihren Vorgängerinstitutionen, den königlichen Versuchsanstalten, in diesem Jahr ihren einhundertfünfzigsten Geburtstag. Sie blickt damit auf eine lange Tradition materialwissenschaftlicher Analysen zurück, an deren Beginn beispielsweise die metallographischen Untersuchungen von Adolf Martens stehen. Derartige Untersuchungen bilden auch heute noch einen wesentlichen Bestandteil archäometallurgischer Forschung. Die Historie bzw. die Weiterentwicklung der Methodik lässt sich hier besonders gut nachzeichnen. Jedoch blicken auch Verfahren zur Charakterisierung weiterer Werkstoffe, wie Glas, Keramik, oder organischer Materialien auf eine lange Geschichte zurück.
Die in diesem Band der N.i.Ke.-Schriftenreihe präsentierten Beiträge dokumentieren einerseits aktuelle Forschungsarbeiten, die erst in diesem Jahr in entsprechenden Fachjournalen publiziert wurden, andererseits liegen einige der Arbeiten bereits 50 Jahre zurück. Sie bekunden damit nicht nur die materialtechnologische und historische Bandbreite der Projekte, sondern offenbaren die Vielfältigkeit kulturhistorischer oder restauratorischer Fragestellungen, zu deren Beantwortung natur- und materialwissenschaftliche Forschung wesentliche Beiträge liefern können.
Ich bedanke mich bei allen Kolleginnen und Kollegen, die zur Erstellung dieser dritten Ausgabe der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung beigetragen haben. Ihre Aufsätze ermöglichen den Blick in die Vielfältigkeit materialwissenschaftlicher Untersuchungen im Bereich Kunst- und Kulturgut. Ich wünsche Ihnen viel Spaß auf dieser kleinen Zeitreise.
The BAMline at the synchrotron X-ray source BESSY II (Berlin, Germany) is supporting researchers especially in materials science. As a non-destructive characterization method, synchrotron X-ray imaging, especially tomography with hard X-Rays, plays an important role in structural 3D characterization. The imaging capabilities allow for in-situ and operando experiments. In this presentation the data handling pipeline is presented.
After a general presentation of the beamline, specifically the workflow for ex-situ CT at BAMline is presented. Although being used in a broad variety of research fields the usual workflow for CT experiments is in most cases similar in terms of sample mounting, tomographic scan and reconstruction. Specific scanning schemes allow for a preview reconstruction carried out during the scan. A detailed description of the used hardware as well as the self-coded programs applied in the data pipeline will be given. This will be accompanied by a practical demonstration of the software involved in the entire process.
After a general presentation of the beamline, specifically the workflow for ex-situ CT at BAMline is presented. Although being used in a broad variety of research fields the usual workflow for CT experiments is in most cases similar in terms of sample mounting, tomographic scan and reconstruction. Specific scanning schemes allow for a preview reconstruction carried out during the scan. A detailed description of the used hardware as well as the self-coded programs applied in the data pipeline will be given. This will be accompanied by a practical demonstration of the software involved in the entire process.
In this study, nanoscopic particles of magnesium Fluoride (MgF2) and calcium fluoride (CaF2) also known as nano metal fluorides (NMFs), were evaluated for their potential to improve wood durability. Even though these fluorides are sparingly soluble, their synthesis in the form of nano-sized particles turns them into promising candidates for wood preservation. Their distinct property of low-water solubility is proposed to maintain long-lasting protection of treated wood by reducing the leaching of fluoride. Analytical methods were used to characterize the synthesized NMFs and their distribution in treated wood specimens. Transmission electron microscopy images showed that these fluoride particles are smaller than 10 nm. In nano metal fluoride (NMF) treated specimens, aggregates of these particles are uniformly distributed in the wood matrix as confirmed with scanning electron microscopy images and their corresponding energy-dispersive X-ray spectroscopy maps. The fluoride aggregates form a protective layer around the tracheid walls and block the bordered pits, thus reducing the possible flow path for water absorption into wood. This is reflected in the reduced swelling and increased hydrophobicity of wood treated with NMFs. The biocidal efficacy of NMFs was tested against brown-rot fungi (Coniophora puteanaand Rhodonia placenta), white-rot fungus (Trametes versicolor), and termites (Coptotermes formosanus). The fungal and termite tests were performed in accordance with the EN 113 (1996) and EN 117 (2012) standards, respectively. Prior to fungal tests, the NMF treated wood specimens were leached according to the EN 84 (1997)standard. Compared to untreated specimens, the NMF treated wood specimens have a higher resistance to decay caused by brown-rot fungi, white-rot fungus, and termites. Although all NMF treatments in wood reduce the mass loss caused by fungal decay, only the combined treatment of MgF2 and CaF2 has efficacy against both brown-rot fungi and white-rot fungus. Similarly, wood treated with the combined NMF formulation is the least susceptible to attack by C. formosanus.It is proposed that combining MgF2 and CaF2changes their overall solubility to promote the release of fluoride ions at the optimal concentration needed for biocidal efficacy against fungi and termites. In this thesis, it was proven that even after leaching, sufficient fluoride was present to protect NMF treated wood from fungal decay. This shows that NMFs are robust enough for above ground contact outdoor applications of wood, where permanent wetness cannot be avoided according to Use Class 3.2, as per the EN 335 (2013) standard. Also, they pose a low risk to human health and the environment because they are sparingly soluble. Since NMFs significantly reduce the decay of wood, the CO2 fixed in it will be retained for longer than in unpreserved wood. Overall, the novel results of this study show the potential of NMFs to increase the service life of building materials made from non-durable wood.
Shape memory alloy structures for actuator and vibration damper applications may be manufactured using wire arc additive manufacturing (W AAM), which is one of the additive manufacturing technologies. Multilayer deposition causes heat accumulation during W AAM, which rises the preheat temperature of the previously created layer. This leads to process instabilities, which result in deviations from the desired dimensions and mechanical properties changes. During W AAM deposition of the wall structure, a systematic research is carried out by adjusting the interlayer delay from 10 to 30 s. When the delay period is increased from 10 to 30 s, the breadth decreases by 45% and the height increases by 33%. Grain refinement occurs when the interlayer delay duration is increased, resulting in better hardness, phase transformation temperature, compressive strength, and shape recovery behavior. This study shows how the interlayer delay affects the behavior of W AAM-built nickel-titanium alloy (NiTi) structures in a variety of applications.
Komposit-Druckgefäße für den Gefahrguttransport sowie für Wasserstoff-und Erdgasfahrzeuge bestehen aus einem lasttragenden Komposit und einer gasdichten, metallischen oder polymeren Barriereschicht (Liner).
Zur Untersuchung der Integrität der Druckflaschen wurde die Wirbelstromprüfung eingesetzt. Hierbei wurden verschiedene Frequenzbereiche angewendet, um so die unterschiedlichen Materialien untersuchen zu können. Ziel der Untersuchungen war es, alterungsbedingte Schädigungen rechtzeitig zu detektieren. Der Vortrag stellt diese Ergebnisse vor.
Modern wind turbine rotor blades consist of sandwich shell segments made from glass fiber reinforced polymers. During manufacturing, defects can arise which could lead to failure of the whole component under dynamic mechanical and thermal loads. Hence during operation defects can arise which, if detected, can be repaired locally and in-situ by applying repair patches instead of taking the whole rotor blade down and repair it remotely. This method is much more time and cost effective, since the shut-down time of the energy converter is limited to a minimum. These repair patches can, however, also lead to new defects if not applied optimally. Therefore, it is necessary to control the quality of the repair patches to ensure the best possible restoration of structural integrity of the component. As a rotor blade is an object with a large aspect ratio, X-ray laminography is predestined to provide 3D information of the objective volume. To enhance the amount of information gained from laminographic reconstruction, we use in this study a photon counting and energy discriminating X-ray detector and apply a material decomposition algorithm to the data. By inherently separating the incident spectra within the detection process into two distinct energy bins, the basis material decomposition can provide material resolved images. Choosing glass and epoxy resin as basis materials and numerically solving the inverse dual-energy equation system, the reconstructed laminographic datasets contain highly valuable information about the distribution of the basis materials within the structure. Furthermore, cross- artifacts arising from the limited angle of the projection data can be reduced by this method which allows to investigate structures that were hidden underneath the artefacts.
Modern wind turbine rotor blades consist of sandwich shell segments made from glass fiber reinforced polymers. During manufacturing, defects can arise which could lead to failure of the whole component under dynamic mechanical and thermal loads. Hence during operation defects can arise which, if detected, can be repaired locally and in-situ by applying repair patches instead of taking the whole rotor blade down and repair it remotely. This method is much more time and cost effective, since the shut-down time of the energy converter is limited to a minimum. These repair patches can, however, also lead to new defects if not applied optimally. Therefore, it is necessary to control the quality of the repair patches to ensure the best possible restoration of structural integrity of the component. As a rotor blade is an object with a large aspect ratio, X-ray laminography is predestined to provide 3D information of the objective volume. To enhance the amount of information gained from laminographic reconstruction, we use in this study a photon counting and energy discriminating X-ray detector and apply a material decomposition algorithm to the data. By inherently separating the incident spectra within the detection process into two distinct energy bins, the basis material decomposition can provide material resolved images. Choosing glass and epoxy resin as basis materials and numerically solving the inverse dual-energy equation system, the reconstructed laminographic datasets contain highly valuable information about the distribution of the basis materials within the structure. Furthermore, cross- artifacts arising from the limited angle of the projection data can be reduced by this method which allows to investigate structures that were hidden underneath the artefacts.
Um die Versagensabläufe über die verschiedenen Skalen im Holzwerkstoff verfolgen zu können, werden Zugversuche an Lagenhölzern mittels Schallemissionsmessung überwacht. Synchron erfolgen In-situ-Messungen mit Digitaler Bildkorrelation bzw. Synchrotron-Mikro-Computertomographie. Die Kombination aller Ergebnisse wie auch die Anwendung der frequenzbasierten Mustererkennung und die Simulation ausgewählter Versuche zielen auf die Identifizierung zugrunde liegender Mechanismen hin. Abschließend werden Ansätze für ein Monitoring von Holzstrukturen diskutiert.
Mit Laserlicht kann man eine Materialoberfläche berührungslos und schnell moduliert aufheizen. Dabei entsteht eine stark gedämpfte Wärmewelle, die tief ins Material eindringen kann. Erzeugt und überlagert man solche thermischen Wellen auf kohärente Weise, dann kann man damit versteckte Materialfehler zerstörungsfrei und sehr präzise aufspüren. Sogar eine bildgebende Tomografie ist denkbar.
Im Jahre 2011 wurde in Deutschland nach 50 Jahren der Ausstieg aus der kommerziellen Kernenergie beschlossen. Fünf Jahre später war Deutschland mit 80.000 GWh immer noch unter den zehn größten Atomstromproduzenten. Im darauffolgenden Jahr wurden weltweit 2.500.000 GWh Atomstrom produziert. Durch die Atomstromproduktion fallen große Mengen an radioaktiven Reststoffen an, die bis zu mehrere tausend Jahre für einen vollständigen Abbau benötigen. Aus dieser Problematik geht die Debatte über den Verbleib der Reststoffe hervor. Die Endlagerung in tiefen Gesteinsschichten ist eine Lösung für das Problem. Voraussetzung ist hierbei allerdings die Gewährleistung eines dauerhaften Schutzes vor ionisierender Strahlung, die durch Verschlüsse der tiefen Gesteinsschichten in Form von Verschlussbauwerken erzielt werden sollen. Es gilt die bauliche Integrität sowie die Dichtwirkung der Verschlussbauwerke dauerhaft zu überwachen und zu prüfen, um eine langfristige Verzögerung der Radionuklidfreisetzung zu gewährleisten.
This contribution attempts to shed light on the application of POD analyses and measurement uncertainty calculations in nondestructive testing of concrete structures to provide useful and quality-assured information for reliability assessments of our built environment - with an emphasis on ground penetrating radar. It is shown that signal processing techniques affect POD analysis results to varying degrees, that measurement uncertainties are useful to validate PODs, and that the utilization of both POD analysis and measurement uncertainty calculations can pave the way to NDT-based reliability assessment, which will be exemplarily demonstrated in conclusion – generally aiming to derive those maintenance strategies and actions that are in line with actual demands.
Vortrag über die Berechnung von Messunsicherheiten und die POD-Analyse zur Aufbereitung von ZfP-Ergebnissen für die Zuverlässigkeitsbewertung bestehender Bauwerke.
Vertebrate bones are made of a nanocomposite consisting of water, mineral and organics. Water helps bone material withstand mechanical stress and participates in sensation of external loads. Water diffusion across vertebrae of medaka (bone material lacking osteocytes) and zebrafish (bone material containing osteocytes) was compared using neutron tomography. Samples were measured both wet and following immersion in deuterated-water (D2O). By quantifying H+ exchange and mutual alignment with X-ray lCT scans, the amount of water expelled from complete vertebra was determined. The findings revealed that anosteocytic bone material is almost twice as amenable to D2O diffusion and H2O exchange, and that unexpectedly, far more water is retained in osteocytic zebrafish bone. Diffusion in osteocytic bones (only 33 % – 39 % water expelled) is therefore restricted as compared to anosteocytic bone (~ 60 % of water expelled), presumably because water flow is confined to the lacunar-canalicular network (LCN) open-pore system. Histology and Raman spectroscopy showed that anosteocytic bone contains less proteoglycans than osteocytic bone. These findings identify a previously unknown functional difference between the two bone materials. Therefore, this study proposes that osteocytic bone retains water, aided by non-collagenous proteins, which contribute to its poroelastic mechano-transduction of water flow confined inside the LCN porosity.
Angetrieben durch Digitalisierung und die sogenannte Industrie 4.0 steigt die Erwartungshaltung gegenüber der Nutzung von Sensorik. Die Unsicherheit, Widersprüchlichkeit und Redundanz separat verarbeiteter einzelner Quellen soll durch die synergetische Zusammenführung heterogener Datensätze überwunden werden. Dabei steht der zunehmenden Aufgabenkomplexität eine ebenso zunehmende Verfügbarkeit an Sensoren, Daten und Rechenleistung gegenüber.
Der Begriff Datenfusion fasst Ansätze zusammen, die Daten zu abstrakteren, aber besser verständlichen Informationen verarbeiten. Die Fusion ist Kernbestandteil effektiver Assistenzsysteme und beweist in vielzähligen Aufgaben - von militärischen Anwendungen über Flug- und Fahrassistenzsysteme, bis in den Heimbereich – ihr großes Potenzial. Durch die wachsende Automatisierung bei der Messdatenerfassung wird Datenfusion auch in der industriellen Qualitätsprüfung und –sicherung zunehmend attraktiver.
Der Vortrag gibt einen Überblick über den breiten Themenkomplex und widmet sich dabei speziell der Fragen, welche Informationen in multivariaten Datensätzen stecken und wie sie extrahiert werden können. Abschließend wird ein Beispiel für die erfolgreiche Anwendung zur zerstörungsfreien Prüfung von Betonbauteilen vorgestellt. Der systematische Vergleich von Algorithmen, die Charakteristika des Labordatensatzes in unterschiedlicher Weise adressieren erlaubt überraschende Schlussfolgerungen.
Die Entwicklung von Werkzeugen zur realitätsnahen Nachbildung eines industriellen CT-Systems in einer Simulationssoftware ist derzeit Hauptaufgabe des WIPANO Forschungsprojektes CTSimU2 Realistische Simulation realer Röntgencomputertomografie - Systeme mit basisqualifizierter Simulationssoftware. Als Voraussetzung dienen dabei Simulationssoftwares, die durch das Testframework aus dem Vorprojekt CTSimU1 basisqualifiziert wurden. Das Testframework testet die hinreichende physikalische Korrektheit und Funktionalität einer Simulationssoftware (Basisqualifizierung der Software). Für eine realitätsnahe Nachbildung ist nicht nur die Güte der Simulationssoftware, sondern insbesondere die Güte der Parametrisierung des realen CT-Systems in der Simulationssoftware ausschlaggebend. Dabei kann das Vorgehen der Parametrisierung in vier Schritte unterteilt werden: die Datenaufnahme am realen CT-System (Schritt 1), die Auswertung der aufgenommenen Daten für die Generierung allgemeiner Parameterangaben (Schritt 2), die Übertragung der Parameter in die spezifischen Simulationssoftwares (Schritt 3) und die Validierung der resultierenden Simulationsparameter durch einen geeigneten Test (Schritt 4). Ziel des Projektes ist es daher neben der Erarbeitung eines Werkzeugkastens mit allgemeinen Methoden zur Datenaufnahme und Auswertung der Daten, die Entwicklung eines Tests, auf dessen Basis die ausreichend korrekte Simulation einer realen Anlage beurteilt werden kann. Die erarbeiteten Ergebnisse sollen wie bereits im Vorprojekt CTSimU1 in einen Richtlinienentwurf für die Richtlinienreihe VDI/VDE 2630 übertragen werden. Dieser Beitrag soll einen Überblick über das Projekt und die ersten Ergebnisse geben.
A composite material is a combination of two or more materials with very different mechanical, thermal and electrical properties. The various forms of composite materials, due to their high material properties, are widely used as structural materials in the aviation, space, marine, automobile, and sports industries. However, some defects like voids, delamination, or inhomogeneous fiber distribution that form during the fabricating processes of composites can seriously affect the mechanical properties of the composite material. In this study, several imaging NDE techniques such as: thermography, high frequency eddy current, ultrasonic, x-ray radiography, x-ray laminography, and high resolution x-ray CT were conducted to characterize the microstructure of carbon fiber composites. Then, a 3D analysis was implemented by the destructive technique of serial sectioning for the same sample tested by the NDE methods. To better analyze the results of this work and extract a clear volume image for all features and defects contained in the composite material, an intensive comparison was conducted among hundreds of 3D-NDE and multi serial sections’ scan images showing the microstructure variation.
Digital radiographic images were analysed to predict the visibility of image quality indicators (IQI), based on normalized noise power spectra (NNPP) and modulation transfer function (MTF) measurements. The fixed pattern noise of some digital detectors result in different noise spectra, which influence the visibility of different IQIs, depending on the hole diameter. Studies, based on measurement of basic spatial resolution and contrast to noise ratio were performed together with presampled MTF measurements and the NNPS in dependence on the spatial frequency. Plate hole IQIs, step hole IQIs, and equivalent penetrameter sensitivity (EPS) IQIs based on ASTM E 746 were measured to verify the influence of the different parameters. Modelling of digital images was used to verify the applied numeric tools. A study has been performed for imaging plates and digital detector arrays to analyse differences. Formulas for the prediction of the visibility functions for hole type IQIs are derived. In consequence the standards for characterization and classification of computed radiography (ASTM E 2446) and radiography with DDAs (ASTM E 2597) need to be revised.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens AIFRI „Arteficial Intelligence for Rail Inspection“ wird der Prozess der mechanisierten Schienenprüfung in einem digitalen Zwilling abgebildet, um in einem zweiten Schritt mit KI-Algorithmen eine automatisierte Defekterkennung und -klassifizierung trainieren zu können. Hierzu werden relevante Schienenschädigungen und in der Schiene vorhandene Artefakte analysiert und in skalierbare Modelle übertragen.
Die Norm DIN EN 16729-1 „Bahnanwendungen - Infrastruktur - Zerstörungsfreie Prüfung an Schienen im Gleis - Teil 1: Anforderungen an Ultraschallprüfungen und Bewertungsgrundlagen“ gilt für die Prüfausrüstung von Schienenprüffahrzeugen und handgeführten Rollgeräten und legt die Anforderungen an die Prüfgrundsätze und -systeme bei der Prüfung verlegter Eisenbahnschienen fest, um vergleichbare Ergebnisse in Bezug auf Lage, Art und Größe der Unregelmäßigkeiten in den Schienen zu erhalten.
Um die Performance von Prüfsystemen in der Simulation zu evaluieren, wurden die in den Anhängen der DIN EN 16729-1 angegebenen Bezugsreflektoren als künstliche Reflektoren (nach Anhang A) und simulierte Reflektoren (nach Anhang B) in einem digitalen Zwilling mit einem Schienenprofil 54E4 nach DIN EN 13674-1 sowie mit vereinfachter Geometrie als virtuelle Testschienen abgebildet.
Die Simulationen wurden mit den in den Tabellen 3 und 4 nach DIN EN 16729-1 definierten Prüfkopfwinkeln durchgeführt. Die Rechnungen wurden im Labormaßstab an Testkörpern verifiziert und die Signal-Rausch-Abstände für Untersuchungen im Feld ermittelt.
Ergebnisse der Untersuchungen und Möglichkeiten der Anwendung werden vorgestellt.
Das Forschungsvorhaben wird durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) im Rahmen von mFund unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 gefördert.
Virtuelle CT
(2020)
Das Computerprogramm aRTist ist ein praktisches Simulationswerkzeug zur Erzeugung realistischer Radiographien virtueller Durchstrahlungsaufbauten. Mit Durchstrahlungssimulationen können Bauteile, repräsentiert durch STL-Geometrien, wie in einem Computertomografen gescannt werden. Dabei werden verschiedenste Parameter gezielt und exakt berücksichtigt.
Die Virtuelle Computertomografie bietet neue Möglichkeiten der Untersuchung von Parametereinflüssen. Neben der Möglichkeit, physikalische Effekte an- und abzuschalten, z.B. die Streustrahlung, können auch Scanbewegungen getestet werden, bevor diese technisch realisiert werden.
Das für die Forschung entwickelte Simulationsprogramm aRTist bietet mit seiner intuitiven grafischen Benutzeroberfläche vielfältige Anwendungsmöglichkeiten auch in Praxis und Entwicklung, beispielsweise zur Parameteroptimierung, für Machbarkeitsstudien oder zur Abschätzung der Unsicherheit dimensioneller Messungen.
The simulator aRTist combines analytical and Monte Carlo methods to efficiently model the radiographic process of industrial radiology. In this contribution we focus on virtual computer tomography, the simulation of tomographic scans. The possibilities to simulate complex scanning trajectories are shown in combination with the tomographic reconstruction using individual projection matrices.
Virtual CT with aRTist
(2021)
Simulation becomes more and more important in modern CT imaging. It is increasingly used to optimize techniques for complex applications, to support the preparation of written procedures, and for educational purposes. The radiographic simulator aRTist is a modelling tool which simulates X-ray imaging using a hybrid analytical and Monte Carlo method to efficiently model the radiation transport. In addition to the relevant physical effects such as absorption, scattering and fluorescence, simplified fast models are employed to describe the characteristics of the X-ray source and the detector. aRTist is well equipped to model realistic X-ray imaging setups due to the ability to load exported CAD object descriptions. A simple CT scan module is contained in aRTist which allows the simulation of standard (circular cone beam) scanning trajectories.
This training session starts with a general introduction to aRTist and will highlight its basic usage. Furthermore, the focus is on the configuration of scan trajectories and batch simulations for virtual CT. The aim is to enable the audience to use the aRTist software for their own experiments in virtual CT.
Virtual CT with aRTist
(2023)
The software aRTist is a simulation tool for the generation of realistic radiographs of virtual radiographic superstructures.
With radiographic simulations, virtual component models can be scanned as in a computer tomograph.
Industrial X-ray computed tomography (CT) enables the non-destructive detection of internal and external surfaces as well as inhomogeneities of technical objects. Virtual CT offers new possibilities for the investigation of parameter influences of this complex testing and measuring technique. In addition to the option of switching physical effects on and off, scanning movements can also be tested before their technical realization.
The virtual CT generates projection images from different directions for the subsequent reconstruction of a volume model of the examined object. The reconstruction of the simulated scans is carried out with the algorithms and programs for real scans. Tomographic scans consist of a large number of projections, which practically cannot be generated individually by the user of a simulation. The software offers various options for the automated simulation of tomographic scans. These range from standard CT to scans on free trajectories or with individual projection matrices.
Virtual CT acquisition and reconstruction of complex and noisy scanning trajectories in aRTist
(2019)
In modern CT imaging, simulation has become an important tool to minimize cost- and time-intensive measurements. It is increasingly used to optimize techniques for complex applications, to support the preparation of written procedures, and for educational purposes. We extended the CT simulation software ‘aRTist’ with a module to set-up arbitrary trajectories including disturbing influences during the scan. Moreover, such geometric deviations can be compensated by the internal reconstruction tool.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfPBau-Verfahren) sind auch im Bauwesen stets an praxisrelevante Prüfaufgaben gekoppelt. Die Ermittlung beispielsweise eines Ist-Zustandes im Vorfeld einer Betoninstandsetzung oder die Ermittlung von Schadensursache und Schadensumfang als Folge wiederkehrender Untersuchungen von Brücken nach DIN 1076 sind etablierte Anwendungsgebiete der ZfPBau. Mit der Einführung der Nachrechnungsrichtlinie für Straßenbrücken im Jahr 2011 hat die Nachfrage nach ZfPBau-Dienstleistungen einerseits stark zugenommen, andererseits eröffnet sie Möglichkeiten, in statischen Nachweisen die tatsächlichen Eigenschaften bestehender Konstruktionen rechnerisch anzusetzen. Dazu aber müssen Messergebnisse statistisch bewertet werden können. Dies geschieht durch eine einheitliche Ermittlung der Messunsicherheit, mit der die Voraussetzungen geschaffen werden, um Messergebnisse von ZfPBau-Verfahren in statischen Berechnungen verwenden zu können. Im folgenden Beitrag wird gezeigt, wie Messgrößen der ZfPBau als (stochastische) Basisvariablen in probabilistische Nachweise zur Berechnung der Zuverlässigkeit einfließen können, indem Grenzzustandsgleichungen modifiziert werden. Mit dieser Vorgehensweise sind weitere Schlussfolgerungen aus den Ergebnissen möglich.
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.
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.
Während in einem konventionellen Ultraschallprüfkopf ein Kunststoffdämpfungskörper mit Kleber oder Öl an einen Piezoschwinger angekoppelt ist, werden als Hochtemperaturlösung feinporöse sintermetallische Dämpfungsmaterialien mit einer Flüssigglasankopplung eingesetzt. Um dabei das Sintermetall vor dem korrosiven Angriff der Glasschmelze zu schützten, wird am Dämpfungskörper gegenwärtig Gold- oder Platinfolie zeit- und kostenaufwendig appliziert.
In der aktuellen Arbeit wurde eine Methode zum Korrosionsschutz der sintermetallischen Oberfläche aus rostfreiem Stahl mittels Laser-Pulverauftragschweißen entwickelt. Im Laufe einer Schweißparameterstudie auf dem Substratmaterial aus massivem rostfreiem Stahl wurde die Eignung unterschiedlicher Auftragsmaterialien auf Nickel- und Kobaltbasis untersucht. Dabei wurde zunächst der Einfluss verschiedener Schweißparameter wie Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit und Pulvermenge auf die Auftragsqualität (Nahtform, Vermischungsgrad, Porosität) metallografisch bewertet. Anschließend wurden die aufgetragenen Schichten hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit getestet. Der Kontakt mit einer flüssigen Glasmischung bei 500 °C hat bei keiner der beschichteten Proben sichtbare Korrosionswirkung gezeigt. Als Resultat der Schweißparameterstudie haben sich besonders die nickelbasierten Pulver als gut geeignete Materialien für den Prozess gezeigt. Die identifizierten Schweißparameter wurden im nächsten Schritt erfolgreich an das sintermetallische Substrat angepasst.
Die nicht ionisierende elektromagnetische Strahlung im Bereich von Terahertz-Frequenzen ermöglicht berührungslose und zerstörungsfreie Mess- und Prüftechnik in zahlreichen Bereichen. Nach ersten Anwendungen in der Astronomie und der Atmosphärenforschung wurden in letzter Zeit Anwendungsfelder in der Sicherheitstechnik, der Medizintechnik, der Nachrichtentechnik und der zerstörungsfreien Prozess- und Qualitätskontrolle erschlossen. Dielektrische Materialien wie Kunststoffe und Keramiken können von Terahertz-Wellen durchdrungen werden. Das ermöglicht Untersuchungen des Objektinneren ohne spezielle Schutzmaßnahmen, wie sie z.B. beim Röntgen notwendig sind. Die Richtlinie erleichtert die Verständigung zwischen Nutzern, Herstellern und dem Vertrieb von Terahertz-Systemen. In der Richtlinie werden bekannte Einsatzgebiete sowie die eingesetzten Verfahren und Funktionsprinzipien aufgeführt, um den Leser bei der Auswahlentscheidung zu unterstützen. Nach einer kurzen Einführung in die physikalischen Grundlagen und Hinweisen zur elektromagnetischen Verträglichkeit, zum Strahlenschutz und zur regulierten Frequenzvergabe werden die verschiedenen Geräteklassen von Terahertz-Systemen ausführlich vorgestellt. Die Richtlinie gibt Hinweise zur messtechnischen Charakterisierung von Terahertz-Wellen. Einsatzgebiete von Terahertz-Systemen, wie die zerstörungsfreie Prüfung, die Dicken- und Abstandsmessung, die Tomografie und die chemische Analytik, werden mit ihren spezifischen Eigenschaften im Detail beschrieben. Umfangreiche Literaturverweise vereinfachen eine vertiefte Beschäftigung mit den Themen der Richtlinie. Eine tabellarische Übersicht mit einer Zusammenfassung, welche Terahertz-Systeme für welche Anwendungsfelder eingesetzt werden können, vervollständigt die Richtlinie.
Validation of novel ultrasonic phased array borehole probe by using simulation and measurement
(2022)
Low-frequency ultrasonic testing is a well-established non-destructive testing (NDT) method in civil engineering for material characterization and the localization of cracks, reinforcing bars and delamination. A novel ultrasonic borehole probe is developed for in situ quality assurance of sealing structures in radioactive waste repositories using existing research boreholes. The aim is to examine the sealing structures made of salt concrete for any possible cracks and delamination and to localize built-in components. A prototype has been developed using 12 individual horizontal dry point contact (DPC) shear wave transducers separated by equidistant transmitter/receiver arrays. The probe is equipped with a commercially available portable ultrasonic flaw detector used in the NDT civil engineering industry. To increase the sound pressure generated, the number of transducers in the novel probe is increased to 32 transducers. In addition, the timed excitation of each transducer directs a focused beam of sound to a specific angle and distance based on the previously calculated delay time. This narrows the sensitivity of test volume and improves the signal-to-noise ratio of the received signals. In this paper, the newly designed phased array borehole probe is validated by beam computation in the CIVA software and experimental investigations on a half-cylindrical test specimen to investigate the directional characteristics. In combination with geophysical reconstruction methods, it is expected that an optimised radiation pattern of the probe will improve the signal quality and thus increase the reliability of the imaging results. This is an important consideration for the construction of safe sealing structures for the safe disposal of radioactive or toxic waste.
Validation of artificial defects for Non-destructive testing measurements on a reference structure
(2018)
Non-destructive testing was established over the last decades as an important tool for assessing damages, material characterization and quality assurance in civil engineering. For example, Ground Penetrating Radar (GPR) can be used to scan large areas of concrete structures to determine the spatial position of the reinforcement. With the ultrasonic echo method, the thickness of concrete structures can be easily determined even if a high density of reinforcement is given. Various methods and processes have been developed for the validation of NDT procedures aiming at ensuring the quality of measurements in practical use. The Probability of Detection (POD) for example, is an available method to compare different technical devices with each other quantitatively regarding their performance. With this method, the best suited testing device for a specific inspection task under defined boundary conditions can be selected. By using the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM), it is possible to quantify the measurement uncertainty of an inspection procedure for a specific task. Another important aspect to improve the acceptance of non-destructive testing methods is the development of reference specimens.
Reference specimens serve for the calibration and further development of NDT methods under realistic conditions in different laboratories under the same conditions. This is an essential prerequisite for round robin tests. A particular challenge here is the most realistic representation of a damage that can occur at building sites. Possible damages include for example horizontal and vertical cracks or honeycombs in concrete. Such a reference structure was built for the development of a new design of power plant constructions. Comparative studies on the manufacturing of realistic honeycombs and delaminations were carried out in advance on a test specimen. The results of this study are presented here.
Validation of artificial defects for non-destructive testing measurements on a reference structure
(2018)
Non-destructive testing was established over the last decades as an important tool for assessing damages, material characterization and quality assurance in civil engineering. For example, Ground Penetrating Radar (GPR) can be used to scan large areas of concrete structures to determine the spatial position of the reinforcement. With the ultrasonic echo method, the thickness of concrete structures can be easily determined even if a high density of reinforcement is given. Various methods and processes have been developed for the validation of NDT procedures aiming at ensuring the quality of measurements in practical use. The Probability of Detection (POD) for example, is an available method to compare different technical devices with each other quantitatively regarding their performance. With this method, the best suited testing device for a specific inspection task under defined boundary conditions can be selected. By using the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM), it is possible to quantify the measurement uncertainty of an inspection procedure for a specific task. Another important aspect to improve the acceptance of Non-destructive testing methods is the development of reference specimens.
Reference specimens serve for the calibration and further development of NDT methods under realistic conditions in different laboratories under the same conditions. A particular challenge here is the most realistic representation of a damage that can occur at building sites. Possible damages include for example horizontal and vertical cracks or honeycombs in concrete. Such a reference structure was built for the development of a new design of power plant constructions. Comparative studies on the manufacturing of realistic honeycombs and delaminations were carried out in advance on a test specimen. The results of this study are presented here.
Validation of a fast and traceable radiographic scale calibration of dimensional computed tomography
(2022)
A fast and highly precise method of determining the geometrical scale factor of computed tomography (CT) measurements has been validated successfully by Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), the Federal Institute of Metrology (METAS) and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) within the scope of AdvanCT (Advanced Computed Tomography for dimensional and surface measurements in industry), a project funded in the European Metrology Programme for Innovation and Research (EMPIR). The method has been developed by PTB and requires only two radiographic images of a calibrated thin 2D standard (hole grid standard) from two opposite directions. The mean grid distance is determined from both radiographs. From this and with the help of the calibration result, the radiographic scale and therefore the voxel size is determined. The procedure takes only a few minutes and avoids a time-consuming CT scan. To validate the method, the voxel sizes determined via this method were compared with voxel sizes determined from CT scans of calibrated objects. Relative deviations between the voxel sizes in the range of 10−5 were
achieved with minimal effort using cone-beam CT systems at moderate magnifications.
The corner echo is a well-known effect in ultrasonic testing, which allows detection of surface breaking cracks with predominantly perpendicular orientation to the surface as, for example, corrosion cracks in metal pipes or shafts. This echo is formed by two planes, the surface of the crack and the surface which the crack breaks. It can also be classified as a half-skip method, since a reflection of the pulse occurs on the backwall before the reflection at the defect takes place. In combination with the diffraction from the crack tip, the corner echo also allows crack sizing. As shown in this paper, the corner reflection can be used in civil engineering for nondestructive inspection of concrete. Commercially available low frequency ultrasonic arrays with dry point contact sources generate SH transversal waves with sufficient divergence of the sound field in order to detect corner reflections. Ultrasonic line-scans and area-scans were acquired with a linear array on flat concrete specimens, and the data were reconstructed by the Synthetic aperture focusing technique. If the angles and the area of reconstruction are chosen accordingly, the corner echo reflection can be distinguished from other ultrasonic information. The corner echo can thus be used as a method for deciding whether a crack is a partial-depth crack or a full-depth crack and thus for obtaining a statement about crack depth. This paper presents corresponding experimental results obtained on concrete specimens with artificial test defects and cracks induced under controlled conditions.
Using spatial and temporal shaping of laser-induced diffuse thermal wave fields in thermography
(2020)
The diffuse nature of thermal waves is a fun-damental limitation in thermographic nonde-structive testing. In our studies we investigated different approaches by shaping the thermal wave fields which result from heating. We have used high-power laser sources to heat metallic samples. Using these spatial and temporal shaping techniques leads to a higher detection sensitivity in our measurements with the infra-red camera. In this contribution we show our implementation of shaping laser-induced diffuse thermal wave fields and the effect on the defect reconstruction quality.
Ultrasonic testing is a widely applied measurement method in materials research and medicine. Commonly, a transducer is coupled to the specimen directly or via a liquid coupling agent. While reducing acoustic transmission losses significantly, this procedure is time-consuming and cannot be used for sensitive specimens. Air-coupled ultrasound is a viable alternative in such cases, although suffering from very high acoustic transmission losses between transducer, air and specimen. The recently introduced fluidic transducer (FT) generates ultrasound by utilizing the instability of a supersonic air jet switched inside a fluidic amplifier. Since only air is used as the working medium and no vibrating surfaces are used for ultrasound generation, the transducer is able to efficiently generate large acoustic pressure amplitudes. The resulting acoustic field shares its directivity with the ejected high-velocity air jet. Thus, the acoustic energy needs to be redirected from the jet axis in order to make the fluidic transducer applicable to sensitive specimens. In this study, the effectivity of using sonic crystals (SCs) for this redirection is investigated using acoustic and flow measurements. SCs are air-permeable while being reflective to large acoustic frequency bands. It was shown that both a defect waveguide and a mirroring strategy successfully redirected the acoustic field from the air jet. Furthermore, the interaction of flow and SC showed strong acoustic quenching if the SC was placed too close to the FT outlet. Blockage of the jet entrainment due to the SC may result in slightly higher off-axis flow velocities locally, which should be considered in sensitive applications.
In ultrasonic testing, the time of flight (ToF) of a signal can be used to infer material and structural properties of a test item. In dispersive media, extracting the bulk wave velocity from a received signal is challenging as the waveform changes along its path of propagation. When using signal features such as the first peak or the envelope maximum, the calculated velocity changes with the propagation distance. This does not occur when picking the signal onset. Borrowing from seismology, researchers used the Akaike information criterion (AIC) picker to automatically obtain onset times. In addition to being dependent on arbitrarily set parameters, the AIC picker assumes no prior knowledge of the spectral properties of the signal. This is unnecessary in ultrasonic through-transmission testing, where the signal spectrum is known to differ significantly from noise. In this contribution, a novel parameter-free onset picker is proposed, that is based on a spectral entropy criterion (SEC) to model the signal using the AIC framework. Synthetic and experimental data are used to compare the performance of SEC and AIC pickers, showing an improved accuracy for densely sampled data.
Usability of the written procedures: an eye tracking study Non-destructive evaluation (NDE) is regarded as one of the key elements in ensuring quality of engineering systems and their safe use. A failure of NDE to detect critical defects in safety-relevant components, such as those in the nuclear industry, may lead to catastrophic consequences for the environment and the people. NDE inspection procedure is one of the most important tools in the everyday life of an NDE inspector. Experience and research studies have shown that NDE procedures are not always used as foreseen and may need to be optimized. Both the content and format play an important role in producing reliable procedures. Whereas the content aids in the understanding of the task and in its subsequent correct execution, the format determines the efficiency and frequency of the procedure’s use.
For the purposes of this study, an inspection procedure - designed to be used in the inspection of components used in the final disposal of spent nuclear fuel - was further developed by adopting a user-centered design. This was achieved by following the eye movements during a data evaluation task whilst using the procedure, by interviews and group discussions, accompanied by a review from a human factors’ perspective, the suggestions from relevant literature and by reiterating the entire process once again. This process resulted in identifying shortcomings and in suggesting alterations to the existing procedure. The newly created procedure was empirically tested for its usability using eye tracking. By comparing the old instruction format to the newly developed one, the results showed that appropriately highlighting warnings, exceptions, or reminders, and placing them at a logical position assures that they will be read and identified with ease rather than overlooked. The presentation of the information in a stepwise manner, with one action per step, allows the user to follow more easily the steps that must be carried out to save time and effort.
This study - the first of its kind in the field of non-destructive evaluation - showed that the procedure can be improved by applying human factors principles to the design and by involving the users into the process of procedure development and quality assurance.
Introduction of the speaker – Marija Bertovic
Marija Bertovic has a degree in psychology and a PhD in human factors. Since 2006 she has been working on topics related to human factors in non-destructive testing at the BAM Federal Institute for Materials Research and Testing, German Society for Non-Destructive Testing and as an independent consultant. The focus of her research has been on identifying and studying human factors’ related risks during NDT inspections and suggesting ways of optimizing the inspections and inspection procedures. She is currently a research staff member at BAM responsible for probabilistic safety and reliability analyses AND human factors analyses. She is the chairwoman of the German Society for Non-Destructive Testing’s (DGZfP) subcommittee on human machine interaction and the winner of the DGZfP Science Award in 2018.
The BAMline at the BESSY II synchrotron X-ray source has enabled research for more than 20 years in widely spread research fields such as materials science, biology, cultural heritage and medicine. As a nondestructive characterization method, synchrotron X-ray imaging, especially tomography, plays a particularly important role in structural characterization. A recent upgrade of key equipment of the BAMline widens its imaging capabilities: shorter scan acquisition times are now possible, in situ and operando studies can now be routinely performed, and different energy spectra can easily be set up. In fact, the upgraded double-multilayer monochromator brings full flexibility by yielding different energy spectra to optimize flux and energy resolution as desired. The upgraded detector (based on an sCMOS camera) also allows exploiting the higher flux with reduced readout times. Furthermore, an installed slip ring allows the sample stage to continuously rotate. The latter feature enables tomographic observation of processes occurring in the time scale of a few seconds.
Das elektromagnetische Radarverfahren ist mit seiner starken Sensitivität für Wasser längst eine etablierte Methode zur zerstörungsfreien Feuchtemessung. Besonders bei geophysikalischen Aufgabenstellungen erfreut es sich großer Beliebtheit, doch auch an Baustoffen wird es immer häufiger zur Ortung von schadensträchtigem Wasser eingesetzt. Somit liefert die Literatur bereits zahlreiche Signalmerkmale, welche einen Rückschluss auf die Feuchte des untersuchten Mediums zulassen. Die Eignung dieser Signalmerkmale zur Messung an Estrichen wurde in Laborstudien anhand des Austrocknungsprozesses nach der Herstellung untersucht. Hierbei kamen zement- und anhydritgebundene Estriche unterschiedlicher Schichtdicke zum Einsatz, wobei die Darr- und die Calciumcarbid-Methode als Referenzverfahren dienten. In der Auswertung erwiesen sich besonders die klassischen Merkmale aus dem Zeitbereich (Amplitude, Laufzeit) als robuste Methoden zur Feuchtemessung. Bei kleinen Schichtdicken und niedrigen Feuchtegehalten ist die Auswertung der klassischen Merkmale jedoch fehleranfällig, v.a. weil die (automatisierte) Separierung von direkter und Reflexionswelle nicht mehr eindeutig ist. Dies wirkt sich besonders auf die jeweiligen Frequenzanteile aus, die i.d.R. nicht zu den klassischen Feuchte-Merkmalen gehören. In weiterführenden Untersuchungen soll der Mehrwert durch multivariate Datenauswertung und Ansätze des maschinellen Lernens geprüft werden. Übergeordnetes Ziel ist der Einsatz des Radarverfahrens an geschichteten Fußbodenaufbauten zur automatisierten und zerstörungsfreien Lokalisierung von Feuchteschäden.