8.0 Abteilungsleitung und andere
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Organisationseinheit der BAM
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Eingeladener Vortrag
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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.
Die Thermografie beruht auf der bildlichen Darstellung von Temperaturunterschieden oder auch thermischen Kontrasten an der Oberfläche eines Untersuchungsobjektes. Diese bilden sich nur her-aus, wenn sich das Untersuchungsobjekt gerade erwärmt oder abkühlt. Der Beitrag erklärt mittels eines stark vereinfachten Modells die Entstehung solcher Kontraste als dynamischen Effekt verschiedener Abkühlgeschwindigkeiten. Neben Laborergebnissen werden beispielhaft einige Ergeb-nisse von einem mittelalterlichen Baudenkmal präsentiert, um das Verständnis für die thermografische Inspektion von Fassaden zu vertiefen.
Infrared thermography is a technique that allows to measure the temperatures of objects by analyzing the intensity of the thermal emission without the need of direct contact with very high spatial and temporal resolution. As the temperature is a fundamental factor for the additive manufacturing processes of metals, infrared thermography can provide experimental data that can be used for the validation of simulations and improving the understanding of the processes as well as for in-situ process monitoring for nondestructive evaluation (NDE) for quality control.
In this talk we will provide an overview over the possibilities of state of the art thermographic in-situ monitoring systems for the DED-LB/M and PBF-LB/M processes and the challenges such as phase transitions and unknown emissivity values in respect to the determination of real temperatures. We define the requirements for different camera systems in various configurations and give examples on the selection of appropriate measurement parameters and data acquisition techniques as well as on techniques for data analysis and interpretation. Finally, we compare in-situ monitoring methods against post NDE methods by analyzing the advantages and disadvantages of both.
This research was funded by BAM within the Focus Area Materials.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), as one of the most promising production process in the field of metal additive manufacturing, enables traditional constructive solutions to be rethought and the manufacturing of optimized components according to the "form follows function" principle. The most significant obstacle for a broad industrial application of the L-PBF process is the inadequate quality assurance during the manufacturing process so far, leading to high production costs. Although several mainly camera based commercial in-process monitoring systems are already available, a deep understanding of the interpretation of the monitored data and correlation with actual defects is still lacking. One reason for this is the reduction of the complex process signature to just one measurement value.
The focus of this contribution is the presentation of the multispectral optical tomography as alternative to single measurand in-situ monitoring systems. The potential of this approach is hereby shown on L-PBF printed samples with induced process instabilities. Beyond that, an in-house developed L-PBF printer for further testing of multi-sensor in-situ monitoring systems is presented.
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.
The manufacturing of metal parts for the use in safety-relevant applications by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) demands a quality assurance of both part and process. Thermography is a nondestructive testing method that allows the in-situ determination of the thermal history of the produced part which is connected to the mechanical properties and the formation of defects [1]. A wide range of commercial thermographic camera systems working in different spectral ranges is available on the market. The understanding of the applicability of these cameras for qualitative and quantitative in-situ measurements in L-PBF is of vital importance [2]. In this study, the building process of a cylindrical specimen (Inconel 718) is monitored by three camera systems simultaniously. These camera systems are sensitive in various spectral bandwidths providing information in different temperature ranges. The performance of each camera system is explored in the context of the extraction of image features for the detection of defects. It is shown that the high temporal and thermal process dynamics are limiting factors on this matter. The combination of different spectral camera systems promises the potential of an improved defect detection by data fusion.
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
Additive manufacturing of metals gains increasing relevance in the industrial field for part production. However, especially for safety relevant applications, a suitable quality assurance is needed. A time and cost efficient route to achieve this goal is in-situ monitoring of the build process. Here, the BAM project ProMoAM (Process monitoring in additive manufacturing) is briefly introduced and recent advances of BAM in the field of in-situ monitoring of the L-PBF and the LMD process using thermography are presented.
Vor allem in den letzten Jahren ist das Interesse der Industrie an der additiven Fertigung deutlich gestiegen. Die Vorteile dieser Verfahren sind zahlreich und ermöglichen eine ressourcenschonende, kundenorientierte Fertigung von Bauteilen, welche zur stetigen Entwicklung neue Anwendungsbereiche und Werkstoffe führen. Aufgrund der steigenden Anwendungsfälle, nimmt auch der Wunsch nach Betriebssicherheit unabhängig von anschließenden kostenintensiven zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfverfahren zu. Zu diesem Zweck werden im Rahmen des von der BAM durchgeführten Themenfeldprojektes „Prozessmonitoring in Additive Manufacturing“ verschiedenste Verfahren auf ihre Tauglichkeit für den in-situ Einsatz bei der Prozessüberwachung in der additiven Fertigung untersucht. Hier werden drei dieser in-situ Verfahren, die Thermografie, die optische Emissionsspektroskopie und die Schallmissionsanalyse für den Einsatz beim Laser-Pulver-Auftragschweißen betrachtet.
Detection of surface breaking cracks using flying line laser thermography: A Canny-based algorithm
(2021)
In this work, we introduce a new algorithm for effectual crack detection using flying line laser thermography, based on the well-known Canny approach. The algorithm transforms the input thermographic sequence into an edge map. Experimental measurements are performed on a metallic component that contains surface breaking cracks due to industrial use. The specimen is tested using flying line thermography at different scanning speeds and laser input powers. Results obtained with the proposed algorithm are additionally compared with a previously established algorithm for flying spot thermography. The proposed Canny-based algorithm can be used in automated systems for thermographic non-destructive testing.
In this work we introduce an algorithm based on the well-known Canny approach for effectual crack detection in thermographic films obtained using flying spot thermography (FST) or flying line thermography (FLT). The proposed algorithm performs faster than another algorithm, for crack detection, based on the application of two Sobel filters (one in x and another one in y directions). For FLT it is shown that processing 10-25 % of the thermograms of a thermographic film required to scan a whole sample is enough to obtain good results. In contrast, using the Sobel filter approach requires the processing of twice the thermographic film length. Experimental measurements are performed on a metallic component of complex shape which contains real defects, that is, surface breaking cracks due to industrial use. The specimen is tested using flying line thermography. Three different scanning speeds are tested: 10, 30 and 60 mms-1 with laser powers of 50, 60 and 120 W respectively. The sample and an infrared camera are aligned and fixed on a motorized linear stage. The diode laser LDM500 (500 W max power) is fixed on an optical bench separately from the linear stage. The results obtained
with the proposed algorithm are additionally compared with a previously established algorithm for flying spot thermography based on the Sobel filter. It is shown that the proposed algorithm based on the Canny approach, can be used in automated systems for thermographic non-destructive testing.
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.
Die Thermografie beruht auf der bildlichen Darstellung von Temperaturunterschieden oder auch thermischen Kontrasten an der Oberfläche eines Untersuchungsobjektes. Diese bilden sich nur her-aus, wenn sich das Untersuchungsobjekt gerade erwärmt oder abkühlt. Der Beitrag erklärt mittels eines stark vereinfachten Modells die Entstehung solcher Kontraste als dynamischen Effekt ver-schiedener Abkühlgeschwindigkeiten. Neben Laborergebnissen werden beispielhaft einige Ergeb-nisse von einem mittelalterlichen Baudenkmal präsentiert, um das Verständnis für die thermografi-sche Inspektion von Fassaden zu vertiefen.