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- 7 Bauwerkssicherheit (3)
- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (3)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (3)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (2)
- 9.6 Additive Fertigung metallischer Komponenten (2)
- 6 Materialchemie (1)
Additive manufacturing (AM) offers a range of novel applications. However, the manufacturing process is complex and the production of defect-free parts with high reliability and durability is still a challenge. Thermography is a valuable tool for process surveillance, especially in metal AM processes. The high process temperatures allow one to use cameras usually operating in the visible spectral range. Here, we compare the results of measurements during the manufacturing process of a commercial laser metal deposition setup using a mid-wavelength-IR camera with those from a visual spectrum high-speed camera with band pass filter in the near-IR range.
Additive manufacturing offers a range of novel applications. However, the manufacturing process is complex and the production of almost defect-free parts with high reliability and durability is still a challenge. Thermography is a valuable tool for process surveillance, especially in metal additive manufacturing processes. The high process temperatures allow one to use cameras usually operating in the visible spectral range. Here, we compare the results of measurements during the manufacturing process of a commercial laser metal deposition setup using a mid wavelength infrared camera with those from a short wavelength infrared camera and those from a visual spectrum high-speed camera with band pass filter in the near infrared range.
In-situ monitoring of the Laser Powder Bed Fusion build process via bi- chromatic optical tomography
(2022)
As metal additive manufacturing (AM) is entering industrial serial production of safety relevant components, the need for reliable process qualification is growing continuously. Especially in strictly regulated industries, such as aviation, the use of AM is strongly dependent on ensuring consistent quality of components. Because of its numerous influencing factors, up to now, the metal AM process is not fully controllable. Today, expensive part qualification processes for each single component are common in industry.
This contribution focusses on bi-chromatic optical tomography as a new approach for AM in-situ quality control. In contrast to classical optical tomography, the emitted process radiation is monitored simultaneously with two temperature calibrated cameras at two separate wavelength bands. This approach allows one to estimate the local maximum temperatures during the manufacturing process, thus increases the comparability of monitoring data of different processes. A new process information level at low investment cost is reachable, compared to, e.g., infrared thermography.
Material defects in fiber reinforced polymers such as delaminations can rapidly degrade the material properties or can lead to the failure of a component. Pulse thermography (PT) has proven to be a valuable tool to identify and quantify such defects in opaque materials. However, quantification of delaminations within semitransparent materials is extremely challenging. We present an approach to quantify delaminations within materials being semitransparent within the wavelength ranges of the optical excitation sources as well as of the infrared (IR) camera. PT experimental data of a glass fiber reinforced polymer with a real delamination within the material were reconstructed by one dimensional (1D) mathematical models. These models describe the heat diffusion within the material and consider semitransparency to the excitation source as well to the IR camera, thermal losses at the samples surfaces and a thermal contact resistance between the two layers describing the delamination. By fitting the models to the PT data, we were able to determine the depth of the delamination very accurately. Additionally, we analyzed synthetic PT data from a 2D simulation with our 1D-models to show how the thermal contact resistance is influenced by lateral heat flow within the material.
Die zerstörungsfreie Prüfung von metallischen Bauteilen hergestellt mit additiver Fertigung (Additive Manufacturing - AM) gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung. Grund dafür ist die Feststellung von Qualität, Reproduzierbarkeit und damit auch Sicherheit für Bauteile, die mittels AM gefertigt wurden. Jedoch wird noch immer ex-situ geprüft, wobei Defekte (z.B. Poren, Risse etc.) erst nach Prozessabschluss entdeckt werden. Übersteigen Anzahl und/oder Abmessung die vorgegebenen Grenzwerte für diese Defekte, so kommt es zu Ausschuss, was angesichts sehr langer Bauprozessdauern äußerst unrentabel ist. Eine Schwierigkeit ist dabei, dass manche Defekte sich erst zeitverzögert zum eigentlichen Materialauftrag bilden, z.B. durch thermische Spannungen oder Schmelzbadaktivitäten. Dementsprechend sind reine Monitoringansätze zur Detektion ggf. nicht ausreichend.
Daher wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur aktiven Thermografie an dem AM-Prozess Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) untersucht. Das Bauteil wird mit Hilfe des defokussierten Prozesslasers bei geringer Laserleistung zwischen den einzelnen gefertigten Lagen unabhängig vom eigentlichen Bauprozess erwärmt. Die entstehende Wärmesignatur wird ort- und zeitaufgelöst durch eine Infrarotkamera erfasst. Durch diese der Lagenfertigung nachgelagerte Prüfung werden auch zum Bauprozess zeitversetzte Defektbildungen nachweisbar.
In dieser Arbeit finden die Untersuchungen als Proof-of-Concept, losgelöst vom AM-Prozess, an einem typischen metallischen Testkörper statt. Dieser besitzt eine Nut als oberflächlichen Defekt. Die durchgeführten Messungen finden an einer eigens entwickelten L-PBF-Forschungsanlage innerhalb der Prozesskammer statt. Damit wird ein neuartiger Ansatz zur aktiven Thermografie für L-PBF erforscht, der eine größere Bandbreite an Defektarten auffindbar macht. Der Ansatz wird validiert und Genauigkeit sowie Auflösungsvermögen geprüft. Eine Anwendung am AM-Prozess wird damit direkt forciert und die dafür benötigten Zusammenhänge werden präsentiert.
Additive manufacturing (AM) techniques have risen to prominence in many industrial sectors. This rapid success of AM is due to the freeform design, which offers enormous possibilities to the engineer, and to the reduction of waste material, which has both environmental and economic advantages. Even safety-critical parts are now being produced using AM. This enthusiastic penetration of AM in our daily life is not yet paralleled by a thorough characterization and understanding of the microstructure of materials and of the internal stresses of parts. The same holds for the understanding of the formation of defects during manufacturing. While simulation efforts are sprouting and some experimental techniques for on-line monitoring are available, still little is known about the propagation of defects throughout the life of a component (from powder to operando/service conditions). This Issue was aimed at collecting contributions about the advanced characterization of AM materials and components (especially at large-scale experimental facilities such as Synchrotron and Neutron sources), as well as efforts to liaise on-line process monitoring to the final product, and even to the component during operation. The goal was to give an overview of advances in the understanding of the impacts of microstructure and defects on component performance and life at several length scales of both defects and parts.
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.
Carbon-fiber reinforced composites are becoming more and more important in the production of light-weight structures, e.g., in the automotive and aerospace industry. Thermography is often used for non-destructive testing of These products, especially to detect delaminations between different layers of the composite.
In this presentation, we aim at methods for defect reconstruction from thermographic measurements of such carbon-fiber reinforced composites. The reconstruction results shall not only allow to locate defects, but also give a quantitative characterization of the defect properties. We discuss the simulation of the measurement process using finite element methods, as well as the experimental validation on flat bottom holes.
Especially in pulse thermography, thin boundary layers with steep temperature gradients occurring at the heated surface need to be resolved. Here we use the combination of a 1D analytical solution combined with numerical solution of the remaining defect equation. We use the simulations to identify material Parameters from the measurements.
Finally, fast heuristics for reconstructing defect geometries are applied to the acquired data, and compared for their accuracy and utility in detecting different defects like back surface defects or delaminations.
Charakterisierung einer durch Überlast geschädigten GFK-Platte mit Thermografie und Ultraschall
(2013)
Eine GFK-Platte mit eingefräster Nut wurde in einem Zugversuch mit
ca. 90 kN belastet, was zu einer sichtbaren Veränderung an den Seitenflächen führte.
Anschließend wurde die Platte mit Ultraschall und Thermografie auf innere Schädigungen untersucht. Beide Verfahren konnten räumlich ausgedehnte Bereiche mit zahlreichen Anzeigen nachweisen, jedoch keine geschlossene Fläche. Mit UT wurden außerdem porenreiche oberflächennahe Schichten in dem Material detektiert. Diese Poren verringerten die Nachweisempfindlichkeit beider Messverfahren.
Eines der bedeutendsten Kunstwerke des Magdeburger Doms sind die Putzritzungen am Ostflügel des Kreuzgangs aus dem 13. Jahrhundert. Der größte Teil der einzelnen Putzoberflächen sind Ausbesserungen oder Neuverputzungen aus verschiedenen Restaurierungs- oder Reparaturphasen. In dem von der Forschungsinitiative Zukunft Bau geförderten Projekt zur 3D-Kartierung von Bauwerksoberflächen wurden Untersuchungen zur Erfassung der Schäden an diesen Putzritzungen mit optischen 3D-Messverfahren und der aktiven Thermografie durchgeführt. Dabei wurden bei den optischen Verfahren hochauflösende Techniken zur Erfassung der Oberflächentopologie (Stereophotogrammmetrie) und zur Vermessung der Rissstrukturen und Ausbeulungen (3D-Trackingverfahren) eingesetzt. Die Zuordnung der Signaturen in den Thermogrammen zu Hohlstellen sowie Materialergänzungen und -ersatz wird diskutiert. Weiterhin erfolgt ein Vergleich der Ergebnisse mit Messungen an neu freigelegten Putzbereichen.