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Thermographic NDE is based on the interaction of thermal waves with inhomogeneities. These inhomogeneities are related to sample geometry or material composition. Although thermography is suitable for a wide range of inhomogeneities and materials, the fundamental limitation is the diffusive nature of thermal waves and the need to measure their effect radiometrically at the sample surface only. The propagation of the thermal waves from the heat source to the inhomogeneity and to the detection surface results in a degradation in the spatial resolution of the technique. A new concerted ansatz based on a spatially structured heating and a joint sparsity of the signal ensemble allows an improved reconstruction of inhomogeneities. As a first step to establish an improved thermographic NDE method, an experimental setup was built based on structured 1D illumination using a flash lamp behind a mechanical aperture. As a follow-up to this approach, we now use direct structured illumination using a 1D laser array. The individual emitter cells are driven by a random binary pattern and additionally shifted by fractions of the cell period. The repeated measurement of these different configurations with simultaneously constant inhomogeneity allows for a reconstruction that makes use of joint sparsity. With analytical-numerical modelling or numerical FEM simulations, we study the influence of the parameters on the result of non-linear reconstruction. For example, the influence of the illumination pattern as a variable heat flux density and Neumann boundary condition for convolution with the constant Green's function can be studied. These studies can be used to derive optimal conditions for a measurement technique.
Thermal waves are solutions of the heat diffusion equation for periodic boundary conditions and can be seen analogously to strongly damped waves. Although the underlying differential equation differs from the wave equation, the essential property for analogy between both equations is linearity such that superposition applies. This linearity is maintained even after a linear transformation, such as the Fourier transform from time to frequency domain. It follows that the temporal superposition principle is already used in active thermography, e.g. in pulsed thermography, as a superposition of many individual frequencies. However, the systematic spatial superposition has not yet been fully exploited, mainly due to a lack of suitable energy sources.
As a first step, we are investigating how thermal wave fields of arbitrary space-time structures can be engineered using structured laser illumination. The proof of principle was shown using a laser coupled projector. Unfortunately, the available optical output power was limited due to the thermal stress limit of the device. That is why we are working towards a more sophisticated moving 1D array of high-power diode lasers. We characterized the novel light source and believe that apart from the benefit of spatial and temporal illumination it can combine the temporal regimes of impulse and lock-in thermography.
In a second step, we investigate moving and oscillating line sources with different line shapes. We use a Green’s Function ansatz to analytically model the thermal wave propagation of structured 1D laser illumination in isotropic materials. Furthermore, we show some methods how they can be implemented. With this technique, we were able to accelerate our detection method firstly presented in for vertical narrow defects by factor three. Generally, we believe that this technique opens up similar opportunities than in other NDE methods. High-resolution ultrasound, for example, is also based on the superposition of single emitters and a recent concept suggests an option to deal with the diffusion wave character of the thermal waves.
We analyzed the results of high-energy X-ray CT scans for three 20×16×16 in. block samples of Indiana limestone from our recent radial acidizing experiments with HCl. CT scans were done for complete samples, and 3D images of internal dissolution patterns were built. Each 3D image consists of submillimeter-size voxels to capture fine details of individual wormholes.
The obtained 3D images of acidized blocks allow us to observe from various angles the details of the wormholes obtained in the three experiments, which demonstrated wide pore-volume-to-breakthrough (PVBT) range with three different injection rates. Also, variation of the CT number reveals the presence of depositional layers in all block samples, and the obtained CT images were used to interpret the effect that rock layers might have on wormhole penetration at different injection rates.
Further, the built voxel models were used to calculate the radial distributions of dissolved rock volume, which otherwise are not obvious for such complex branched structures as wormholes. We observed how varied experimental conditions affected those distributions. The radial distributions were found very similar across the samples, which suggested the way to detect the effective wormhole penetration depth.
Im Bauwesen werden häufig Polymerbeschichtungen auf Beton eingesetzt um zum einen ein bestimmtes Aussehen zu schaffen und zum anderen das Bauteil vor Alterung, Verschleiß und Schädigung zu schützen. Für die Erfüllung aller genannten Ziele ist das Erreichen einer vom Hersteller festgelegten Sollschichtdicke essentiell. Daher wird die Dicke der Beschichtung nach erfolgtem Schichtauftrag überprüft. Für den in diesem Zusammenhang anspruchsvollen mineralischen Untergrund Beton stehen bislang allerdings nur zerstörende Prüfverfahren zur Verfügung. Aus diesem Grund wurden im Rahmen des Projektes IRKUTSK in Kollaboration mit der IBOS GmbH ein auf aktiver Thermografie basierendes Verfahren sowie ein Gerät für den vor-Ort-Einsatz entwickelt, mit dessen Hilfe eine zerstörungsfreie Schichtdickenbestimmung möglich ist.
Das Poster erläutert das Messverfahren und die Umsetzung in der Praxis. Es werden Messergebnisse sowie der Vergleich mit zerstörend ermittelten Schichtdicken gezeigt. Hierbei konnte eine sehr gute Übereinstimmung nachgewiesen werden. Die notwendigen Erweiterungen des zugrundeliegenden Modells in Bezug auf die einzelnen Parameter werden erläutert und diskutiert.
Die hier vorgestellte Arbeit ist Teil des ZIM-Projektes IRKUTSK mit dem Förderkennzeichen KF2201089AT4 und ist gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.
Additive manufacturing (AM) offers a range of novel applications. However, the manufacturing process is complex and the production of defect-free parts with a high reliability 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 first measurements during the manufacturing process of a commercial laser metal deposition (LMD) setup using a MWIR camera with those from a VIS high-speed camera with band pass filter in the NIR range.
In flash thermography, the temperature transient is strongly influenced by the temporal shape of the heating pulse for samples with high thermal diffusivity or very thin samples. Here, we present a closed phenomenological approximation of the temporal shape of pulses of Xe-flash lamps. It is a non-stitched solution, has a simple Laplace transform and is suitable for different lamps and energy settings. It is demonstrated that simulated temperature transients, based on this approximation, are well consistent with experimental data.
Additive manufacturing (AM) opens the route to a range of novel applications.However, the complexity of the manufacturing process poses a challenge for the production of defect-free parts with a high reliability. Since process dynamics and resulting microstructures of AM parts are strongly influenced by the involved temperature fields, thermography is a valuable tool for process surveillance. The high process temperatures in metal AM processes allow one to use cameras usually operating in the visible spectral range to detect the thermally emitted radiation from the process. In our work, we compare the results of first measurements during the manufacturing processes of a commercial laser metal deposition (LMD) setup and a laser beam melting (LBM) setup using a MWIR camera with those from a VIS high-speed camera with band pass filter in the NIR range.
Aktuell werden Prozessmonitoringsysteme in der additiven Fertigung (AM) zur Überwachung der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren aus den Bereichen der Optik, Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung bezeichnet, es finden sich aber nur wenige Berichte über konkrete Umsetzungen in die Praxis.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat ein neues Projekt gestartet, dessen Ziel die Entwicklung von Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Bauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen ist. Verschiedene Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, wie Thermografie, optische Tomografie, optische Emissionsspektroskopie, Wirbelstromprüfung und Laminografie werden in verschiedenen AM-Prozessen zum Einsatz gebracht und die Ergebnisse fusioniert. Die evaluierten Ergebnisse werden mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik verglichen. Ziel ist eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion.
Hier wird das Projekt als Ganzes vorgestellt und der Fokus auf verschiedene Methoden der Temperaturmessung mit Hilfe der Thermografie gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und erste experimentelle Ergebnisse werden präsentiert.
Pulse and flash thermography are experimental techniques which are widely used in the field of non-destructive testing for materials characterization and defect detection. We recently showed that it is possible to determine quantitatively the thickness of semitransparent polymeric solids by fitting of results of an analytical model to experimental flash thermography data, for both transmission and reflection configuration. However, depending on the chosen experimental configuration, different effective optical absorption coefficients had to be used in the model to properly fit the respective experimental data, although the material was always the same. Here, we show that this effect can be explained by the wavelength dependency of the absorption coefficient of the sample material if a polychromatic light source, such as a flash lamp, is used. We present an extension of the analytical model to describe the decay of the heating irradiance by two instead of only one effective absorption coefficient, greatly extending its applicability. We show that using this extended model, the experimental results from both measurement configurations and for different sample thicknesses can be fitted by a single set of parameters. Additionally, the deviations between experimental and modeled surface temperatures are reduced compared to a single optimized effective absorption coefficient.
Im Bauwesen werden Polymerbeschichtungen auf Beton häufig eingesetzt um zum einen, ein bestimmtes Aussehen zu schaffen und zum anderen, das Bauteil vor Alterung, Verschleiß und Schädigung zu schützen. Für praktisch alle Ziele ist die Wirkung von der eigens dafür definierten Schichtdicke der Polymerbeschichtung abhängig. Daher wird die Dicke der Beschichtung nach erfolgtem Schichtauftrag überprüft. Für den in diesem Zusammenhang anspruchsvollen mineralischen Untergrund Beton stehen bislang allerdings nur zerstörende Prüfverfahren zur Verfügung. Aus diesem Grund wurden im Rahmen des Projektes IRKUTSK ein auf aktiver Thermografie basierendes Verfahren sowie ein Gerät für den vor-Ort-Einsatz entwickelt, mit dessen Hilfe eine zerstörungsfreie Schichtdickenbestimmung möglich ist. Hier wird ein kurzer Einblick in das zur Schichtdickenbestimmung entwickelte Thermografieverfahren gegeben. Die Besonderheiten bei der quantitativen Auswertung, die durch die Teiltransparenz der Polymerbeschichtungen auftreten, werden erläutert. Die Funktion des Verfahrens für einlagige Systeme wird anhand von Labormessungen mit verschiedenen optischen Quellen zur thermischen Anregung illustriert.
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.
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.
THz-TDS Systeme können zeitaufgelöst die Amplitude der elektrischen Feldstärke E(t) detektieren. Der Vorteil des verwendeten Messprinzips besteht in dem gleichzeitigen Nachweis von Amplitude und Phase des zwischen der Antenne und dem Detektor sich ausbreitenden elektrischen Feldes eines Impulses. Befindet sich im Strahlengang dielektrisches Material, dann ändern sich die Laufzeit (Time of Flight) und Amplitude des Impulses im Vergleich zum freien Strahlengang.
Planare Fehlstellen, wie Risse oder delaminierte Schichten in Kompositen sowie mehrschichtig aufgebaute Dielektrika können als optische Mehrschichtsysteme aufgefasst werden, mit denen sich die beobachteten Transmissions- und Reflektionseigenschaften im THz-Bereich erklären lassen.
Bei Entwicklung eines optischen Schichtenmodells für das jeweilig ausgewählte Schichtensystem lassen sich zeitliche Impulsverläufe in Abhängigkeit von der Schichtenfolge- und deren –dicke berechnen.
Durch den Fit der experimentell gewonnener Daten mit den aus dem Schichtenmodell berechneten Impulssequenzen lassen sich unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate Schichtdicken oder die Brechungsindizes der einzelnen Schichten im jeweiligen Testobjekt bestimmen. Anhand eines repräsentativen Beispiels wird die Entwicklung des Schichtenmodells erklärt und die erreichten Genauigkeiten zur Bestimmung der Schichtdicken und Brechungsindizes anhand selbst entwickelter Testkörper diskutiert.
THz and mid IR spectroscopy of high-molecular PE (HMW) and ultra high-molecular PE (UHMW) reveals modifications of the molecular structure. Characteristic absorption bands are changed if the two materials are exposed by -Co60 radiation up to 600 kGy and subsequently stored at an annealing temperature of 398 K until for 729 days. UHMW-PE and HMW-PE behave differently during the ageing process because of their molecular weight and inherent structure distinctions. The spectroscopic data offer characteristic absorption bands, which have been used to describe the complete ageing process in more detail. For instance, the integral absorption in the B1u THz-region can be used to describe quantitatively the reduction of crystallinity. The formation of trans vinylene unsaturation and the decay of vinyl during ageing can be observed in detail in the mid IR range.
THz and mid IR spectroscopy of high-molecular PE (HMW) and ultra high-molecular PE (UHMW) reveals modifications of the molecular structure. Characteristic absorption bands are changed if the two materials are exposed by γ-Co60 radiation up to 600 kGy and subsequently stored at an annealing temperature of 398 K until for 729 days.
THz and mid IR spectroscopy of high-molecular PE (HMW) and ultra high-molecular PE (UHMW) are appropriated to characterize theire molecular structure.
Characteristic absorption bands are changed if the two materials are exposed by gamma-Co60 radiation up to 600 kGy and subsequently stored at an annealing temperature of 398 K until for 729 days. The spectroscopic data oarfe used to describe the existing ageing process in more detail.
Up to now THz-TDS-systems aren’t considered to be nondestructive testing facilities for large scale industrial applications, despite it was proven that they provide a comprehensive set of quality parameters. A practical approach to bring THz-TDS in addition to already existing testing systems into the industrial mainstream is systematic development of future test procedures and test facilities for dielectrics. For this purpose polyeth-ylene test specimen with introduced artefacts were designed, to evaluate the detection sensitivity of Time of Flight measurements based on dielectrics. SAFT reconstructed tomograms are presented which visualize the sizes and location of artificially introduced flaws.
Pulsed thermography is a well-known non-destructive testing technique and has proven to be a valuable tool for examination of material defects. Material defects are often simulated by flat-bottom holes (FBH) or grooves. Typically, analytical 1D models are used to determine the defect depth of FBHs, grooves or delaminations. However, these models cannot take into account lateral heat flows, or only to a limited extent (semi-empirical model). They are therefore limited by the FBHs aspect ratio (diameter to remaining wall thickness), to ensure that the heat flow above the defect can still be described one-dimensionally. Here, we present an approach for quantitative determination of the geometry of FBH or grooves. For this purpose, the results of a numerical 2D model are fitted to experimental data, e.g., to determine simultaneously the defect depth of a FBHs or groove and its diameter or width, respectively. The model takes lateral heat flows into account as well as thermal losses. Figure 1 shows the temperature increase of a pulsed thermography measurement at three different locations on the sample. The numerical model is fitted to the experimental data (red lines) to quantify the groove. The numerical simulation matches the experimental data well.