8.0 Abteilungsleitung und andere
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Im Europäischen EMPIR-Projekt „NanoXSpot“ (Measurement of the focal spot size of Xray tubes with spot sizes down to 100 nm) werden neue Messmethoden für Brennflecke von Röntgenröhren entwickelt. Teil des Projektes ist die Entwicklung eines zur Lochkameramethode äquivalenten Messverfahrens für kleine Brennflecke. ASTM E 1165-20, Annex A, beschreibt die Bestimmung von Brennfleckgrößen aus Kantenprofilen von Lochaufnahmen für Röntgenröhren mit Brennflecken > 50 μm. Es wurde bereits vorgeschlagen über die Analyse der richtungsabhängigen Kantenunschärfe einer Lochblende und anschließender CT-Rekonstruktion die Intensitätsverteilung des Brennflecks äquivalent zur Lochkameraaufnahme zu berechnen. Die Lochkameramethode, wie in EN 12543-2 und ASTM E 1165-20 beschrieben, ist im unteren Größenbereich für Mikrofokusröhren nicht geeignet, da Pinholes < 10 μm schwer zu fertigen sind und lange Belichtungszeiten erwartet werden. Mit Hilfe exakt gefertigter Lochblenden sowie strukturierter Targets mit
konvergierenden Strukturen wird der Bereich mit der Single-Shot-CT-Methode auf die Messung von Mikrofokusröhren, alternativ zur Vermessung von Kanten oder Strichgruppenkörpern, erweitert. Die rekonstruierten Brennfleckformen werden mit Kantenund Lochkameraaufnahmen quantitativ verglichen, um die Messgenauigkeit zu bewerten.
Außerdem werden CNR und Messzeit bestimmt, um die Wirtschaftlichkeit der Verfahren zu bewerten.
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.
Häufig stellt sich die Frage, ob eine Materialinhomogenität kritisch für die strukturelle Integrität eines Bauteils ist. Dies ist häufig abhängig von der Größe und der Geometrie dieser Materialinhomogenität. Während die korrekte Bestimmung einer Defektgröße zweifelsfrei eine Messaufgabe darstellt, ist die Detektion eines Materialdefekts die Hauptaufgabe eines Prüfsystems. Allerdings sind manche Defekte zu klein, um detektiert zu werden. Es ist jedoch schwierig, etwas zu bemessen, was nur schwer gefunden werden kann, stellen sowohl die Detektion als auch die Fähigkeit den Defekt zu bemaßen, Teile der der Bewertung eines Prüfsystems dar. Die vorliegende Publikation beschäftigt sich zum einen mit der Notwendigkeit, die Auffindwahrscheinlichkeit von Prüfverfahren zu bewerten, und zum anderen mit den Schritten, mit denen das Konzept der Prüfunsicherheitsbewertung national und international vorangetrieben wird. Final werden die Methoden evaluiert, die den Schulterschluss zwischen Prüf- und Messunsicherheitsbestimmung ermöglichen. Ergänzt wird der Artikel mit Beispielen aus der Industrie, welche die aktuelle Relevanz des Themas untermauern.
Häufig stellt sich die Frage, ob eine Materialinhomogenität kritisch für die strukturelle Integrität eines Bauteils ist. Dies ist häufig abhängig von der Größe und der Geometrie dieser Materialinhomogenität. Während die korrekte Bestimmung einer Defektgröße zweifelsfrei eine Messaufgabe darstellt, ist die Detektion eines Materialdefekts die Hauptaufgabe eines Prüfsystems. Allerdings sind manche Defekte zu klein, um detektiert zu werden. Es ist jedoch schwierig, etwas zu bemessen, was nur schwer gefunden werden kann, stellen sowohl die Detektion als auch die Fähigkeit den Defekt zu bemaßen, Teile der der Bewertung eines Prüfsystems dar. Die vorliegende Publikation beschäftigt sich zum einen mit der Notwendigkeit, die Auffindwahrscheinlichkeit von Prüfverfahren zu bewerten, und zum anderen mit den Schritten, mit denen das Konzept der Prüfunsicherheitsbewertung national und international vorangetrieben wird. Final werden die Methoden evaluiert, die den Schulterschluss zwischen Prüf- und Messunsicherheitsbestimmung ermöglichen. Ergänzt wird der Artikel mit Beispielen aus der Industrie, welche die aktuelle Relevanz des Themas untermauern.
Industrial processes release substantial quantities of waste heat, which can be harvested to generate electricity. At present, the conversion of low grade waste heat to electricity relies solely on thermoelectric materials, but such materials are expensive and have low thermodynamic efficiencies. Although thermomagnetic materials may offer a promising alternative, their performance remains to be evaluated, thereby hindering their real-world application. Here, the efficiency and cost effectiveness of thermomagnetic materials are evaluated for the usage in motors, oscillators, and generators for converting waste heat to electricity. The analysis reveals that up to temperature differences of several 10 K, the best thermomagnetic materials have the potential to compete with thermoelectric materials. Importantly, it is found that the price per watt of some thermomagnetic materials is much lower compared to that of present-day thermoelectrics, which can become competitive with conventional power plants. This materials library enables the selection of the best available thermomagnetic materials for harvesting waste heat and gives guidelines for their future development.
Environmentally friendly alternatives to cement are created through the synthesis of numerous base materials. The variation of their proportions alone leads to millions of materials candidates. Identifying suitable materials is very laborious; traditional systematic research in the laboratory consumes a lot of time and effort.
Sequential learning (SL) potentially speeds up the materials research process despite limited but highly complex available information. SL does not make direct predictions of material properties but ranks possible experiments according to their utility. The most promising experiments are prioritized over dead-end experiments and experiments whose outcome is already known.
Our work has shown that SL seems to be promising for cement research. So far, research has mainly focused on materials whose synthesis is faster and whose material properties require less time for development or characterization (allowing many successive experiments). Contrarily, in the case of binders, SL is only useful if few experiments lead to the desired goal, as for example, the determination of the compressive strength alone typically requires 28 days.
In research practice, experimental designs and the availability of resources often determine which data can be used - for example, when some laboratory resources are not available or deemed irrelevant to a task. As a result, new research scenarios are constantly emerging, each of which requires to demonstrate SL’s performance.
We are presenting the SLAMD app to facilitate the exploration of SL methods in numerous research scenarios. The app provides flexible and low-threshold access to AI methods via intuitive and interactive user interfaces. We deliberately pursue a software-based research approach (as opposed to code-, or script-based). On the one hand, the results are more comprehensible since we refer to a common (code) basis (’reproducible science’). On the other hand, the methods are easily accessible to all which accelerates the knowledge transfer into laboratory practice.
ML has been successfully applied to solve many NDT-CE tasks. This is usually demonstrated with performance metrics that evaluate the model as a whole based on a given set of data. However, since in most cases the creation of reference data is extremely expensive, the data used is generally much sparser than in other areas, such as e-commerce. As a result, performance indicators often do not reflect the practical applicability of the ML model. Estimates that quantify transferability from one case to another are necessary to meet this challenge and pave the way for real world applications.
In this contribution we invetigate the uncertainty of ML in new NDT-CE scenarios. For this purpose, we have extended an existing training data set for the classification of corrosion damage by a new case study. Our data set includes half-cell potential mapping and ground-penetrating radar measurements. The measurements were performed on large-area concrete samples with built-in chloride-induced corrosion of reinforcement. The experiment simulated the entire life cycle of chloride induced exposed concrete components in the laboratory. The unique ability to monitor deterioration and initiate targeted corrosion initiation allowed the data to be labelled - which is crucial to ML. To investigate transferability, we extend our data by including new design features of the test specimen and environmental conditions. This allows to express the change of these features in new scenarios as uncertainties using statistical methods. We compare different sampling and statistical distribution-based approaches and show how these methods can be used to close knowledge gaps of ML models in NDT.
Das maschinelle Lernen (ML) wurde erfolgreich zur Lösung vieler Aufgaben in der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen (ZfPBau) eingesetzt. Allerdings ist die Erstellung von Referenzdaten in den meisten Fällen extrem teuer und daher viel knapper als in anderen Forschungsbereichen. Auch decken die verfügbaren Daten mitunter nur ein einziges Szenario ab, so dass die Leistungsindikatoren oft nicht die tatsächliche Leistung des ML-Modells in der praktischen Anwendung widerspiegeln. Schätzungen, die die Übertragbarkeit von einem Szenario auf ein anderes quantifizieren, sind erforderlich, um dieser Herausforderung gerecht zu werden und den Weg für Anwendungen in der Praxis zu ebnen.
In diesem Beitrag stellen wir Werkzeuge zur Beschreibung der Unsicherheit von ML in neuen ZfPBau-Szenarien vor. Zu diesem Zweck haben wir einen bestehenden Trainingsdatensatz zur Klassifizierung von Korrosionsschäden der Bewehrung in Beton um eine neue Fallstudie erweitert. Die Messungen wurden an großflächigen Betonproben mit eingebauter chloridinduzierter Korrosion des Bewehrungsstahls durchgeführt. Das Experiment simulierte den gesamten Lebenszyklus von chloridinduzierten Sichtbetonbauteilen im Labor. Unser Datensatz umfasst Potenzialfeld- und Radarmessungen. Die einzigartige Fähigkeit, die Schädigung zu überwachen und eine gezielte Korrosion einzuleiten, ermöglichte es, die Daten zu labeln - was für die Konstruktion von ML-Modellen entscheidend ist. Um die Übertragbarkeit zu untersuchen, erweitern wir unser Modell um Metadaten - wie etwa Konstruktionsmerkmale des Prüfkörpers und Umweltbedingungen. Dies erlaubt es, die Veränderung dieser Merkmale in neuen Szenarien mit statistischen Methoden als Unsicherheiten auszudrücken. Wir vergleichen verschiedene auf Stichproben und statistischer Verteilung basierende Ansätze und zeigen, wie diese Methoden eingesetzt werden können, um Wissenslücken von ML-Modellen in der ZfP zu schließen
Mass Spectrometry (MS) and Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) are valuable analytical and quality control methods for most industrial chemical processes as they provide information on the concentrations of individual compounds and by-products. These processes are traditionally carried out manually and by a specialist, which takes a substantial amount of time and prevents their utilization for real-time closed-loop process control. This paper presents recent advances from two projects that use Artificial Neural Networks (ANNs) to address the challenges of automation and performance-efficient realizations of MS and NMR. In the first part, a complete toolchain has been realized to develop simulated spectra and train ANNs to identify compounds in MS. In the second part, a limited number of experimental NMR spectra have been augmented by simulated spectra, to train an ANN with better prediction performance and speed than state-of-the-art analysis. These results suggest that, in the context of the digital transformation of the process industry, we are now on the threshold of a strongly simplified use of MS and MRS and the accompanying data evaluation by machine-supported procedures, and can utilize both methods much wider for reaction and process monitoring or quality control.
Digital Coplanar Translational Laminography (CTL) is a radiographic imaging technique that permits the visualization of structural details and discontinuities in the object of interest after 3D reconstruction from multiple projections. This technique becomes quite competitive regarding to computed tomography in situations of arrangements in which no complete rotation of the X-ray source - detector system around the object of interest is accessible or in cases where the part to be inspected has a high geometric asymmetry. The literature does not show many studies about image quality for different laminographic reconstructions and scan geometries.
Different methodologies for measuring the Modulation Transfer Function (MTF) as a key image quality parameter for the aforementioned technique are applied. The MTF was measured using different approaches, presampled MTF or sampled MTF, both based on the Fourier Transform-Magnitude Spectrum or the square wave
MTF using line pattern gauges. A sample known as Siemens Star with a converging line pattern was used to measure the circular square wave MTF. This circular MTF provides information on the direction dependent contrast transfer related to the measurement conditions, the reconstruction algorithms and the translational scan direction. For this purpose, several MTF measurements were performed in multiple angular directions. Beyond it, reconstructions were performed using different algorithms (Filtered Shifted Average) and an iterative one (MART – Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique). Image quality analysis were done for both reconstruction methods. MART showed an image quality improvement for challenging conditions for laminographic arrangements, such as for a low number of projections (down to 25 for this study, considered as limited view, limited
angle reconstruction). Additionally, a Gadolinium gauge with parallel line patterns within a range from 10 μm to 1000 μm was used to compare the square wave MTF with the sine MTFs, measured by the different techniques mentioned above. The results show that the MTF techniques presented are equivalent in this study. The results obtained for this Gadolinium plate showed a good agreement between MTF10% and SRb image measurements. The methodology presented here is used for the characterization of the frequency dependent spatial resolution of measurements obtained from different laminographic reconstruction techniques and scan geometries. Finally, from the acquisitions and reconstructions obtained with the Siemens Star, cross laminographic images were calculated in order to improve the direction dependent sensitivity. The results showed a better detectability for cross laminographic images in comparison to unidirectional coplanar translational laminographic images covering dead zones.