Analytische Chemie
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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.
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.
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 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. 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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). 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.
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.
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.
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.
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.
Vortrag über die Berechnung von Messunsicherheiten und die POD-Analyse zur Aufbereitung von ZfP-Ergebnissen für die Zuverlässigkeitsbewertung bestehender Bauwerke.
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.
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.
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 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.
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.
Technische Richtlinien enthalten Empfehlungen sowie Anforderungen zum Stand der Technik zur Aufstellung von Bewertungskriterien und Behandlung wissenschaftlich-technischer Fragen. Sie fördern den Erfahrungsaustausch und Technologietransfer zwischen Entwicklern und Anwendern.
In unserem Beitrag stellen wir die Richtlinie VDI/VDE 3518 vor. Diese Richtlinienreihe definiert Begriffe, beschreibt den Aufbau und klassifiziert Multigassensoren (Blatt 1), befasst sich mit den Anforderungen für das Unterscheiden, Erkennen und mengenmäßige Bestimmen von Gemischen gasförmiger Stoffe und die Prüfung von Multigassensoren (Blatt 2) und gibt Anleitung für geruchsbezogene Messungen mit „Elektronischen Nasen“ (Blatt 3). Multigassensoren können als elektronische Nasen in Anlehnung an den biologischen Geruchssinn zur Wahrnehmung und Charakterisierung von Gerüchen eingesetzt werden. Die Spezifik von Multigassensoren besteht darin, dass durch die Wahl und Betriebsweise der Sensoren eine Vielzahl von geeigneten Messsignalen erzeugt werden, aus denen mit mathematischen Verfahren die für die Anwendung gewünschten Informationen extrahiert werden. Dazu ist ein Training der Messeinrichtung mit Proben bekannter Eigenschaften notwendig.
Diese Richtlinie soll Herstellern, Anbietern und Nutzern als ein Leitfaden Informationen und Erläuterungen für die korrekte und sichere Arbeit mit Multigassensoren liefern. Sie soll Prüflaboratorien und Anwendern helfen, bei der Beurteilung von Qualitätsmerkmalen einheitlich vorzugehen und dafür gemeinsame Randbedingungen anzugeben
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.
After describing the basics of distributed fiber optic sensing in general and distributed fiber optic acoustic sensing (DAS) in particular, several currently and previously investigated fields of application of DASin infrastructure monitoring and seismic monitoring are presented. A focus is placed on seismic measurements and DAS measurements determining the dynamic responses of concrete structures to certain stimuli.
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.
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.
Die Integrität der Verstärkungsfasern in Komposit-Zahnstiften ist entscheidend für die Biegefestigkeit und die langfristige Haftung am Zement in den Wurzelkanälen. Es wurde vermutet, dass die Integrität von glasfaserverstärkten Zahnstiften durch das Beschleifen während der zahnmedizinischen Behandlung beeinträchtigt wird. Eine Beschädigung der Fasern führt zu einer erheblichen strukturellen Schwächung über den gesamten Stiftdurchmesser. Glasfragmente, die durch den Kontakt mit dem Zahnbohrer entstehen, können sich vom Stift lösen und die Haftfähigkeit erheblich verringern. Mit Hilfe hochauflösender Synchrotron-Röntgen-Refraktions-Radiographie (SXRR) konnte das Ausmaß der Schäden zuverlässig identifiziert und charakterisiert werden.
Dazu wurden die Glasfaserstifte sowohl im Herstellungszustand als auch nach der Bearbeitung mit einem Diamantbohrer untersucht. Die Datensätze wurden zur Visualisierung und Quantifizierung der morphologischen Charakteristika intakter und durch das Beschleifen beschädigter Regionen analysiert. Sie zeigen Schäden im bearbeiteten Bereich (z. B. Brüche, Splitter und Risse) sowie herstellungsbedingte Inhomogenitäten der Fasern mit einer signifikanten Zunahme der inneren Oberflächen in Probenregionen, die durch das Beschleifen beschädigt wurden.
Additiv gefertigte Prüfkörper aus Polyamid 12 (Laser Sinter Verfahren) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (Fused Layer Modeling Verfahren) wurden über 2000 Stunden künstlich bewittert und ihr Alterungsverhalten untersucht. Die Ergebnisse wurden anschließend mit denen von Prüfkörpern verglichen, welche auf dieselbe Weise künstlich bewittert, aber mittels konventionellem Kunststoff-Spritzguss hergestellt wurden.
Die Erkenntnisse dienen für die Entwicklung einer Strategie für eine Qualitätskontrolle von additiv gefertigten Kunststoffteilen.
Analog zu Blitz und Donner können elektrische Entladungen innerhalb eines Gasvolumens als akustische Quellen agieren und haben daher eine starke Verbreitung als diagnostische Methode (bspw. in der Raumakustik und bei der Ortung von Teilentladungen). Diese auf dem Prinzip der Thermoakustik beruhende Möglichkeit der Schallerzeugung und die damit verbundenen physikalischen Wechselwirkungen machen die Notwendigkeit einer mechanisch ausgelenkten Membran überflüssig. Dabei wird dem hochfrequenten Träger das Nutzsignal aufgeprägt, welches eine Volumenänderung des umliegenden Gases um seinen Ruhezustand verursacht. Durch die somit hervorgerufene zyklische thermische Wechselwirkung mit dem umliegenden Gasgemisch bedarf es daher ebenfalls keiner akustischen Anpassung.
In den vorgestellten Ergebnissen wurde das Übertragungsverhalten eines Oberflächenplasmas (SDBD, surface dielectric barrier discharge) untersucht. Als Maß für den Wirkungsgrad und das Übertragungsverhalten des Aktuators wurden Klirrfaktor- und THD-Messungen und unter Variation der Eingangsleistungen durchgeführt.
Durch die positiven akustischen Eigenschaften eröffnen sich neue Applikationen für den Einsatz von Plasmahochtönern wie bspw. zerstörungsfreie Werkstoffprüfung von Verbundsystemen und Klebeverbindungen im Automobilsektor oder im Bauwesen.
In the field of non-destructive testing (NDT) in civil engineering, a large number of measurement data are collected. Although they serve as a basis for scientific analyses, there is still no uniform representation of the data. An analysis of various distributed data sets across different test objects is therefore only possible with high manual effort.
We present a system architecture for an integrated data management of distributed data sets based on Semantic Web technologies. The approach is essentially based on a mathematical model - the so-called ontology - which represents the knowledge of our domain NDT. The ontology developed by us is linked to data sources and thus describes the semantic meaning of the data. Furthermore, the ontology acts as a central concept for database access. Non-domain data sources can be easily integrated by linking them to the NDT construction ontology and are directly available for generic use in the sense of digitization. Based on an extensive literature research, we outline the possibilities that this offers for NDT in civil engineering, such as computer-aided sorting, analysis, recognition and explanation of relationships (explainable AI) for several million measurement data.
The expected benefits of this approach of knowledge representation and data access for the NDT community are an expansion of knowledge through data exchange in research (interoperability), the scientific exploitation of large existing data sources with data-based methods (such as image recognition, measurement uncertainty calculations, factor analysis, material characterization) and finally a simplified exchange of NDT data with engineering models and thus with the construction industry.
Ontologies are already the core of numerous intelligent systems such as building information modeling or research databases. This contribution gives an overview of the range of tools we are currently creating to communicate with them.
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.
For more than 60 years ultrasonic rail inspection is used as non-destructive testing method to ensure the safe operation of rail tracks. Constantly increasing traffic density and heavy loads have been the motor for the development of new test equipment from handheld devices to rail inspection trains. (Krull 2003)Up to the present most of the system solutions feature conventional ultrasonic transducers housed in wheel-type and slide-type probes. Different tasks have to be carried out during an in-service inspection for flaws in the rail head, rail web and rail foot as well as rolling contact fatigue (Heckel 2018). The more tasks the inspection system has to perform, the more probes are needed. Compared against standard ultrasonic testing methods the application of array probes offers advantages and flexibility by the electronic steering possibilities to control the transmitted and received sound fields. This allows to increase functionality by software while decreasing the number of probes needed in hardware in parallel. One drawback in application of phased array probes is that the repetition frequency of the subsequent measurements will be reduced by the number of virtual probe functions each phased array probe has to perform. This may limit the range of use for phased array probes in high speed applications. To overcome these limits special designs for array probes and signal processing are necessary.
Ultrasonic transmission measurements are used to monitor concrete elements mostly on a laboratory scale since decades. Recently, coda wave interferometry, a technique adapted from seismology, has been introduced to civil engineering experiments. It can be used to reveal subtle changes in concrete samples and even large construction elements without having a transducer directly at the location where the change is taking place. The methodology works best with embedded transducers to avoid coupling issues or excessive environmental influence. These transducers can be used for newly built and existing structures. Recently, large concrete beams have been equipped with a network of transducers and loaded until failure. Using code wave interferometry, it was possible to visualize stress fields and damaged areas. This paper gives an overview of the state of the art, recent results achieved at BAM and a task list for further results and development.
Ultrasonic coda wave interferometry can detect small changes in scattering materials like concrete. We embedded ultrasonic transducers in the Gänstorbrücke Ulm, a monitored road bridge in Germany, to test the methodology. Since fall 2020, we've been monitoring parts of the bridge and comparing the results to commercial monitoring systems. We calculate signal and volumetric velocity changes using coda waves, and long-term measurements show that the influence of temperature on strains and ultrasound velocity changes can be monitored. Velocity change maps indicate that different parts of the bridge react differently to environmental temperature changes, revealing local material property differences. A load experiment with trucks allows calibration to improve detectability of possibly damaging events. Our work focuses on measurement reliability, potential use of and distinction from temperature effects, combination with complementary sensing systems, and converting measured values to information for damage and life cycle assessment.
Ultrasonic non-destructive testing methods have found various applications in quality assurance and condition assessment of nuclear concrete structures. This includes but is not limited to the localization of construction features (thickness measurements, reinforcement, tendon ducts, and others) and damage detection (e. g. corrosion or cracks). However, there are still limitations, e. g. limited penetration depth and resolution, issues when testing hybrid steel/concrete structures as well as absence of standards and regulations.
This presentation will show progress in some of these issues and will focus on advanced instrumentation and validation of ultrasonic NDT for concrete structures.
Ultrasonic echo testing has been limited to a penetration depth of less than one meter in reinforced concrete. The development of the LAUS (Large Aperture Ultrasonic System), using a large array of ultrasonic transducers and wider offsets between transmitter and receiver, allows to reach up to 5 m in reinforced concrete and 9 m in unreinforced concrete. This capability has been demonstrated by collecting data from an engineered salt concrete barrier in an underground nuclear waste storage facility. Due to an increasingly competitive environment, commercial manufacturers will continue to develop equipment with enhanced penetration and/or increased resolution.
To quantify the capabilities and reliability of ultrasonic tests, validation mockups with engineered flaws are required. EPRI and BAM have built a large-scale mockup at a test site close to Berlin (BAM-TTS, Horstwalde) using a design which is repeated at other places. This presentation will also cover the methods deployed on engineered flaws and the repeatability of the test results.
An essential task in many industries, e.g. food, petrol or chemical industry, is the precise and accurate characterization of liquids. Therefore, the development of innovative in-line sensors is of great interest. New concepts based on periodic structures, so-called phononic crystals (PnCs), are an interesting idea for the design of innovative sensors.
A PnC-based sensor can be designed by introducing a resonance inside a bandgap, a frequency region where no wave propagation is allowed. High-Q measurement systems using PnCs are already reported in the literature. However, existing designs cannot be implemented into a piping system directly, but need special fittings, openings or by-passes to be in contact with the liquid.
To circumvent this issue, we develop a new sensor based on PnCs, which can be directly implemented as part of the piping system. For this purpose, we use a PnC consisting of hollow cylinders with a periodic change of the outer diameter.
A bandgap could be found for the described geometry without fluid in simulation and measurement. However, simulations show, that a bandgap for fluid-filled cylinders can only be obtained for quasi-longitudinal modes. Hence, we propose a mode selective excitation for the sensor.
Ultrasonic monitoring, making use of the sensitivity of the coda of repeated transmission meas-urements to changes in stress, temperature, moisture, as well as localized or distributed damage, has gotten at-tention in structural health monitoring (SHM) research recently. Analysis methods such as coda wave inter-ferometry (CWI), including its nonlinear extension, have been shown to be able to measure ultrasonic wave velocity changes with a 1∙10-5 resolution, while indicators such as cross-correlation or cross-coherence have been used to distinguish between reversible and irreversible changes. Several small- and large-scale laboratory experiments have demonstrated that stress changes in structures can be captured or damage detected in a very early stage. The use of this technique for pre-warning before failure are currently under investigation, as well as detailed research on the physical causes and the connection between ultrasonic wave properties and materi-al/structural behavior. Recently, several of large-scale laboratory and real structures have been instrumented with embedded ultrasonic transducers to gather experience and evidence on how to use this technology in re-al-world applications. Preliminary results from installations on a new bridge, an existing bridge, a tunnel, a la-boratory earthquake test as well as a historic stadium in Germany, Poland, and the United States, respectively, are presented. Environmental influences (mainly temperature) and validation by load tests are discussed.
Zu jedem Endlager gehört die Entwicklung eines Verschlusskonzept. Im Endlager Morsleben und an anderer Stelle werden in Abhängigkeit vom Wirtsgestein verschiedene Materialien und Bauweisen für Streckenverschlüsse entwickelt und in großem Maßstab erprobt. Hierzu gehören auch Maßnahmen der Qualitätssicherung, die Informationen über Ausführung und Zustand der Versuchsbauwerke liefern. Hierzu werden von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) für verschiedene Forschungsvorhaben und Prüfaufträge Methoden und Geräte getestet, verbessert und vor Ort unter Tage eingesetzt. Die hier beschriebenen Verfahren lassen sich auch zu Untersuchungen im Wirtsgestein anwenden.
Die Untersuchung von Ultraschallausbreitung in periodischen Strukturen ist aktuell von großem Interesse für eine zielgerichtete Beeinflussung der Schallausbreitung. Die bekanntesten Vertreter periodischer Strukturen sind die sogenannten phononischen Kristalle. Als phononischen Kristall bezeichnet man eine periodische Struktur bestehend aus einer Matrix, in die Störungen aus einem zweiten Material eingebracht worden ist. Dabei unterscheiden sich Matrixmaterial und das eingebrachte Material sehr stark in ihren akustischen Eigenschaften. Ein phononischer Kristall erzeugt Bandlücken, in denen die Schalltransmission durch den Kristall vollständig unterbunden ist. Außerhalb der Bandlücken hingegen findet eine ungehinderte Schallausbreitung statt. Diese speziellen Eigenschaften können beispielsweise dazu genutzt werden, frequenzselektive Wellenleiter zu konzipieren oder Schallfelder zu fokussieren. Die Kristallstrukturen können anhand der Anzahl der Dimensionen, in welchen eine Schallausbreitung unterbunden wird, unterteilt werden. So verhindert ein eindimensionaler Kristall nur die Schallausbreitung in eine Raumrichtung, wohingegen ein zwei- oder dreidimensionaler Kristall die Schallausbreitung in mehreren Raumrichtungen unterbindet. Für technische Anwendungen sind aufgrund ihrer einfachen Fertigung insbesondere ein- und zweidimensionale Strukturen von Interesse.
In den vorgestellten Arbeiten werden ein- und zweidimensionale Kristalle theoretisch und experimentell untersucht. Für den eindimensionalen Fall wurde eine entartete Form des phonischen Kristalls gewählt, wobei ein Vollzylinder mit periodischer Querschnittsänderung betrachtet wurde. Ziel ist es dabei, die Schallausbreitung in axialer Richtung zu verhindern. Inspiriert wurde diese Anordnung durch die in [1] vorgestellte Tubular-Bell-Geometrie und dient als Vorarbeit für die Entwicklung eines Sensorsystems. Im Falle des zweidimensionalen Kristalls wird die Schallausbreitung in einer Platte mit regelmäßigen Bohrungen untersucht. Hier soll keine Schallausbreitung in der Ebene stattfinden.
Als Voruntersuchungen werden zunächst Berechnungen mit Hilfe der Finiten Elementen Methode (FEM) und der Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) durchgeführt. Für die Berechnung der Dispersionskurven der Strukturen wurde COMSOL Multiphysics genutzt. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse liefern eine Vorhersage der Übertragungseigenschaften der Strukturen. Zur Simulation der Schallausbreitung in der eindimensionalen Struktur wird ein effizienter, achsensymmetrischer Ansatz der SBFEM verwendet. Hierbei entsteht ein numerisches Modell mit einer sehr geringen Anzahl an Freiheitsgraden. Diese effiziente Beschreibung ermöglicht eine zielgerichtete Optimierung der Geometrie der Struktur in Hinblick auf die geforderten akustischen Eigenschaften.
Anhand der Simulationsergebnisse werden Testkörper für beide Strukturen gefertigt und deren Übertragungsverhalten im Vergleich mit den numerischen Ergebnissen experimentell überprüft.
[1] – Lucklum R., Zubtsov M., Pennec Y. – Tubular Bell – Ein neuartiger Ultraschall-Rohrsensor, 3. Workshop des Fachausschusses der DEGA e.V., Messtechnische Anwendung von Ultraschall 20.06-22.06.2016, Kloster Drübeck
Structured illumination using high-power diode lasers generates a two-dimensional interference of thermal waves. In addition, the sources and the sample are moving relative to each other. Using different configurations, we investigate the validity of the temporal and spatial superposition principle of the heat diffusion equation for these cases both experimentally and by numerical-analytical modelling. Furthermore, we investigate the potential of this approach for non-destructive testing.
Emissions of ammonia into the environment are mainly caused by agriculture, but also by combustion processes in waste and by road traffic. Even at low concentrations, this substance is not only an odour nuisance, but also a substance with ecological and climatic relevance. Therefore, BAM tested commercial electrochemical, and metal oxide based sensors, which have limited suitability for measuring in the environmental molar fraction range. Alternatively, own developments for the detection of ammonia in the trace range were implemented, wherein the analyte is measured by changing the fluorescence of a BODIPY dye at 550 nm by means of a portable fluorescence sensor directly from the gas phase. For the calibration of ammonia sensors and measuring instruments, a stationary system based on the mixture of certified test gases from pressure cylinders with calibrated mass flow controllers is available. A test gas generator was developed for on-site calibration and testing of sensors and measuring devices. The generation of ammonia-containing gases in the environmental relevant range of levels below 1000 nmol/mol is carried out by the permeation method according to ISO 6145-10. For the traceability of ammonia, standards are provided and further developed by the National Metrological Institutes and designated institutes. Metrological standards are based on SI units and are a basis for traceability of sensors or gas analysers.
Leaking methane from infrastructures, such as pipelines and landfills, is critical for the environment but can also pose a safety risk. To enable a fast detection and localization of these kind of leaks, BAM developed a novel robotic platform for aerial remote gas sensing. Spectroscopic measurement methods for remote sensing of selected gases lend themselves for use on mini-copters, which offer a number of advantages for inspection and surveillance over traditional methods. No direct contact with the target gas is needed and thus the influence of the copter downwash on the measured gas plume can be kept to a minimum. This allows to overcome one of the major issues with gas-sensitive mini-copters. On the other hand, remote gas sensors, most prominently Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) sensors have been too bulky given the payload and energy restrictions of mini-copters. Here, we present the Unmanned Aerial Vehicle for Remote Gas Sensing (UAV-REGAS), which combines a novel lightweight TDLAS sensor with a 3-axis aerial stabilization gimbal for aiming on a versatile multicopter. The proposed system can be deployed in scenarios that cannot be addressed by currently available systems and thus constitutes a significant step forward for the field of Mobile Robot Olfaction (MRO). It enables tomographic reconstruction of gas plumes and a localization of gas sources. We also present first results showing its performance under realistic conditions.
Explosive spalling is caused by, among others, the thermohydraulic spalling mechanism. During this process, vaporization, dehydration, moisture-transport and condensation processes interact. As a result, a drying and dehydration zone as well as a saturated zone, known as a moisture clog, are observed inside the unilaterally-heated concrete. The presented research is focused on the experimental investigation of the underlying thermohydraulic processes.
To investigate these, a test methodology based on X-ray computed tomography (CT) and nuclear magnetic resonance (NMR) was developed. Thereby, the X-ray CT scans are carried out simultaneously during the application of a defined unilateral-heating regime on a specially-constructed specimen. This miniaturized specimen, equipped with a double-layer casing, reproduces the condition within a planar, unilaterally-heated building component.
A preliminary test methodology and the first experimental results were presented at the 5th International Workshop on Concrete Spalling in Borås, Sweden (2017). The contribution for the upcoming workshop presents an improved version of this test methodology and new results for a high-performance concrete (HPC) mixture exposed to temperatures up to 500 °C. Regarding the CT measurements, a higher time-resolution of 15 min was achieved and a quantification of the moisture changes was implemented. Due to an increase in signal quality of the NMR measurements, a pore-size specific moisture distribution can now be resolved. This allows to conclude about the moisture reconfiguration between small gel pores and larger interhydrate pores. Additionally, the NMR measurement are no longer limited to first 2.5 cm below the heated surface but a one-dimensional moisture distribution can now be estimated over the whole 10 cm long specimen.
The presented results demonstrate that the combination of X-ray CT and NMR measurements enables to image and quantify the thermally-induced moisture transport and reconfiguration from small gel pores up to macro pores. This provides important insights into the thermohydraulic damage mechanism and leads to a better understanding of spalling avoidance strategies, like the addition of polypropylene fibres.
Wir laden zum Trainingsworkshop Datenanalyse ein. Angetrieben durch die Digitalisierung und die sogenannte Industrie 4.0 steigt die Erwartungshaltung gegenüber der Nutzung von Daten. 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 Daten und Analyseverfahren gegenüber.
Der Workshop vermittelt ein konzeptionelles Verständnis für moderne Datenanalyseverfahren (Machine Learning (ML), Multivariate Statistik) und soll durch ein anschließendes Hands-On Training mit Python (https://www.python.org) einen einfachen Einstieg in die Thematik ermöglichen. Der Kurs richtet sich an den wissenschaftlichen Nachwuchs.
Leaking methane (CH4) from infrastructures, such as pipelines and landfills, is critical for the environment but can also pose a safety risk. Nowadays, after a period of failure-free exploitation, a significant increase in fires and explosions due to pipeline leakages, can be observed. Particularly problematic are the gas pipelines in Poland that were built several decades ago. At that time, the technical standards and building regulations were more lenient than those currently being in force. The integrity of the gas pipelines is difficult to inspect as they are not piston-optimized (they were not built for this purpose). To overcome this challenge, the UDT is looking for methods that enable a fast and reliable detection and localization of leaking pipelines over long distances.
The BAM has developed a robotic platform for aerial remote gas sensing that meets the expectations of UDT. Spectroscopic measurement methods for remote sensing of selected gases lend themselves for use on mini-copters, which offer several advantages for inspection and surveillance over traditional methods. No direct contact with the target gas is needed and thus the influence of the aerial platform on the measured gas plume can be kept to a minimum. This allows to overcome one of the major issues with gas-sensitive mini-copters. On the other hand, remote gas sensors, most prominently Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) sensors have been too bulky given the payload and energy restrictions of minicopters. Here, we present the Unmanned Aerial Vehicle for Remote Gas Sensing (UAV-REGAS), which combines a novel lightweight TDLAS sensor with a 3-axis aerial stabilization gimbal for aiming on a versatile octocopter. It enables tomographic reconstruction of gas plumes and a localization of gas sources.
Currently, UDT and BAM are cooperating to develop and validate an effective leakage detection method based on the UAV-REGAS platform. We present first results showing its performance under realistic conditions. Depending on the results, UDT may use this platform in their inspection practice in the near future.
Against the background of sustainable resource management and efficiency, wood-based materials are currently experiencing a revival and, among others, plywood, Laminated Veneer Lumber and glued laminated timber are becoming increasingly more important in the building sector. Even though these materials are so-called engineered products, the element wood is naturally grown with intrinsic variability in mechanical properties and requires professional handling on-site. Otherwise, load-bearing structures made of wood materials may entail certain risks. Critical situations can, in principle, be avoided by implementing a structural health monitoring system into components or structures made from wood material. The aim is to indicate accumulation of mechanical damage and to eliminate or at least significantly reduce the risk of unexpected failure. Toward this purpose, the failure behavior of several layered wood materials under quasi-static tension was investigated in laboratory-scale experiments by means of acoustic emission (AE) measurement. Based on spectral analysis and pattern recognition, two classes of AE signals are identified for each investigated lay-up that are characterized by either low or high frequency contents in the respective power spectra. AE activity and intensity of both signal classes are analyzed, striving for predictors appropriate for AE monitoring concepts.
The availability of non-destructive methods is particularly important for composites, e.g., carbon or glass fiber-reinforced polymers because their properties strongly depend on the manufacturing process and in-service conditions. Composites are mostly used in thin-walled components which are perfectly suited for the characterisation with ultrasonic guided waves (UGWs).
In this contribution, we demonstrate sensitivities of UGW to different elastic constants of a composite material. Then we present a characterisation procedure which can be used to in-fer elastic properties. Our approach is based on an inverse procedure in which the numeri-cally calculated dispersion curves are fitted to the measured curves. The acquisition is done by applying a broadband piezoelectric transducer (PZT) to excite various UGW modes and a 3D laser Doppler vibrometer (3D LDV) to record them. Compared to the approaches based on laser excitation, the PZT provides a better signal-to-noise ratio because more energy is brought into the structure. Whereas the 3D LDV compared to a 1D LDV or a PZT allows cap-turing in-plane and out-of-plane components giving more dispersion information for a better characterisation. Since the inverse procedure requires many iterations before elastic prop-erties are retrieved, an efficient tool for the calculation of the dispersion curves is necessary. For this, the Scaled Boundary Finite Element Method is used. All in all, a good agreement be-tween theoretical and experimental curves is demonstrated.
Half-Cell-Potential Mapping (HP) is the most popular non-destructive testing (NDT) method for the detection of active corrosion in reinforced concrete. HP is influenced by parameters such as moisture and chloride gradients in the component. The sensitivity to the spatially small, but dangerous pitting is low. In this study we show how additional measurement information can be used with multi-sensor data fusion to improve the detection performance and to automate data evaluation. The fusion is based on supervised machine learning (SML). SML are methods that recognize relationships in (sensor) data based on given labels. We use SML to distinguish "defective" and "intact" labeled areas in our dataset. It consists of 18 measurement - each contains HP, ground radar, microwave moisture and Wenner resistivity data. Exact labels for changing environmental conditions were determined in a laboratory study on a reinforced concrete slab, which deteriorated controlled and accelerated. The deterioration progress was monitored continuously and corrosion was generated targeted at a predefined location. The detection results are quantified and statistically evaluated. The data fusion shows a significant improvement over the best single method (HP). We describe the challenges of data-driven approaches in nondestructive testing and show possible solutions.
Brillouin Optical frequency domain analysis (BOFDA) is a well-known technique in distributed Fiber sensing for temperature and strain monitoring. In this study, we applied a signal post-processing method based on convolutional neural networks (CNNs) and we show that in comparison to conventional methods based on Lorentzian curve fitting (LCF), our CNN model is more robust against noise and can shorten the measurement time by more than 9 times. This will open the way for applications, where faster monitoring is needed.
Due to their high irradiance and wide modulation bandwidth, high-power lasers open up a wide field of application. For example, the classical methods of pulse and lock-in thermography can be realized in high quality. In addition, structured heating is also possible by using arrays of such lasers. This makes it possible to implement new thermographic methods, such as interference-based detection of cracks or super resolution.
Due to the diffusive nature of heat propagation in solids, the detection and resolution of internal defects with active thermography based non-destructive testing is commonly limited to a defect-depth-to-defect-size ratio greater than or equal to one. In the more recent past, we have already demonstrated that this limitation can be overcome by using a spatially modulated illumination source and photothermal super resolution-based reconstruction. Furthermore, by relying on compressed sensing and computational imaging methods we were able to significantly reduce the experimental complexity to make the method viable for investigating larger regions of interest. In this work we share our progress on improving the defect/inhomogeneity characterization using fully 2D spatially structured illumination patterns instead of scanning with a single laser spot. The experimental approach is based on the repeated blind pseudo-random illumination using modern projector technology and a high-power laser. In the subsequent post-processing, several measurements are then combined by taking advantage of the joint sparsity of the defects within the sample applying 2D-photothermal super resolution reconstruction. Here, enhanced nonlinear convex optimization techniques are utilized for solving the underlying ill-determined inverse problem for typical simple defect geometries. As a result, a higher resolution defect/inhomogeneity map can be obtained at a fraction of the measurement time previously needed.
Thermographic nondestructive evaluation (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 pseudo-random binary pattern and are additionally shifted by fractions of the cell period. The repeated measurement of these different configurations enables to illuminate each spot of the sample surface in lateral direction. This allows for a reconstruction that makes use of joint sparsity.
The measured data set is processed using super resolution image reconstruction algorithms such as the iterative joint sparsity (IJOSP) algorithm. Using this reconstruction technique and 150 different illumination patterns results in a spatial resolution enhancement of approximately a factor of four compared to the resolution of 5.9 mm for homogenously illuminated thermographic reconstruction.
Further, new data processing techniques have been studied before applying the IJOSP algorithm that are more performant or less prone to errors regarding image reconstruction. The choice of regularization parameters in data processing as well as experimental parameters such as the illumination pattern as a variable heat flux density (i.e., the Neumann boundary condition for convolution with the constant Green's function) have a big influence on the reconstruction goodness. With analytical-numerical modelling and numerical FEM simulations, we studied the influence of the experimental parameters on the result of the non-linear IJOSP reconstruction. This has also been investigated experimentally e.g. using different laser line widths or more measurements per position. These studies are used to derive optimal conditions for a certain measurement image reconstruction technique.
For a long time, the rule of thumb for active thermography as a non-destructive testing method was that the resolution of internal defects/inhomogeneities is limited to a ratio of defect depth/defect size ≤ 1. This is due to the diffusive nature of thermal conduction in solids. So-called super resolution approaches have recently allowed this physical limit to be overcome many times over. This offers the attractive possibility of developing thermography from a purely near surface-sensitive testing method to one with improved depth range. How far this development can be pushed is the subject of current research.
We have already been able to show that this classical limitation for one- and two-dimensional defect geometries can be overcome by illuminating the test object sequentially in a structured manner with individual laser spots and thus subsequently calculating a defect map from the resulting measurement data by applying photothermal super resolution reconstruction, which allows significantly improved separation of individual closely spaced defects. As a result, this method benefits strongly from the combination of sequential spatially structured illumination and modern numerical optimization methods, which come at the expense of higher experimental complexity. This leads to long measurement times, large data sets, and tedious numerical analysis, in contrast to the application of established standard thermographic methods with homogeneous illumination.
In this work, we report on the application of full-area spatially structured two-dimensional illumination patterns, which, by applying state-of-the-art laser projector technology in conjunction with a high-power laser, makes it possible to achieve an efficient implementation of photothermal super-resolution reconstruction even for larger test areas in the first place.
Die üblichen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall basieren auf der Verwendung von flüssigen Koppelmitteln. Luftgekoppelte Prüfung setzt sich gegen die konventionellen Verfahren durch, wenn die Flüssigkeit nicht erwünscht oder den Prüfling gar beschädigen kann. Zwei Technologien für Erzeugung von Ultraschallsignalen sind vielversprechend: thermoakustische Wandler und Ferroelektret-Wandler. Basierend auf diesen beiden Technologien wurden Array-Sender gebaut und in diesem Beitrag miteinander verglichen.
Thermoakustische Wandler basieren auf Dünnschichttechnologie und bieten eine resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall. Sie bestehen aus einer dünnen elektrisch leitenden Schicht und werden mit kurzen elektrischen Pulsen angeregt. Die Erhöhung der thermischen Energie führt zur Erzeugung von akustischen Wellen in der umgebenden Luft.
Bei Ferroelektret-Wandlern handelt es sich um polarisierte zelluläre Kunststoffe, die für den Bau eines Array-Senders besonders gut geeignet sind. Einige Ferroelektrete weisen eine hervorragende an Luft angepasste akustische Impedanz auf, so dass auf den Einsatz von Anpassschichten verzichtet werden kann. Ein sehr niedriges mechanisches Übersprechen zwischen einzelnen Elementen ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre.
Mit der Phased-Array-Technik können elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für eine luftgekoppelte Prüfung genutzt werden. Die Schallfelder von diesen beiden Technologien wurden berechnet, gemessen und miteinander verglichen. Die Vorteile und Nachteile der beiden Technologien werden dargestellt.
Bei der Prüfung von Werkstücken mit empfindlichen Oberflächen oder auch hydrophilen Werkstoffen sind traditionelle ultraschallbasierte zerstörungsfreie Prüfmethoden wie die Kontakttechnik oder die Tauchtechnik in vielen Anwendungsfällen aufgrund der Flüssigkeitsankopplung nicht anwendbar.
Die luft-gekoppelte Ultraschallprüfung umgeht diese Problematik und eröffnet neue Prüfszenarien. Derzeit werden zwei Varianten der Schallerzeugung als vielversprechend angesehen: ferroelektrische Folien und thermoakustische Dünnschichtwandler. Thermoakustische Wandler ermöglichen die resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall und somit kurze zeitliche Impulse sowie eine sehr breitbandige Anregung. Durch die Verwendung von gekrümmten Substraten ist sowohl eine Herstellung von planaren als auch fokussierten Wandlern möglich.
Dieser Beitrag präsentiert die letzten Forschungsergebnisse im Bezug auf thermoakustischen Wandlern, welche derzeit in einen thermoakustischen Gruppenstrahler münden. Gruppenstrahler erlauben die simultane Änderung des Einschallwinkels, sowie die Verschiebung des Fokuspunktes während der Verwendung.
Durch die Verbindung beider Schlüsseltechnologien, der thermoakustischen Anregung und des Gruppenstrahlerprinzips, wird das Spektrum der klassischen ZfP-Anwendungen, sowie moderner Ansätze wie der Anregung von geführten Wellen oder der Strukturüberwachung erheblich erweitert und bereichert.
Dabei soll innerhalb dieses Beitrages auf die Modellierung des Schallfeldes, die elementweise Charakterisierung und verschiedene Anwendungsszenarien eingegangen werden.
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.
Occupational health is an important topic, especially in industry, where workers are exposed to airborne by-products (e.g., dust particles and gases). Therefore, continuous monitoring of the air quality in industrial environments is crucial to meet safety standards. For practical and economic reasons, high-quality, costly measurements are currently only carried out sparsely, both in time and space, i.e., measurement data are collected in single day campaigns at selected locations only.
The project “Robot-assisted Environmental Monitoring for Air Quality Assessment in Industrial Scenarios” (RASEM) addresses this issue by bringing together the benefits of both – low- and high-cost – measuring technologies enabling cost-efficient long-term air quality monitoring in realtime: A stationary network of low-cost sensors that is augmented by mobile units carrying high-quality sensors. By mapping the distribution of gases and particles in industrial environments with the proposed RASEM system, measures can be identified to improve on-site working conditions much faster than using traditional methods.
In this presentation, we detail the technical aspects of RASEM and introduce the mobile platforms used.
That human factors (HF) affect the reliability of NDT is not novelty. Still, when it comes to reliability assessments, the role of people is often neglected. Reliability is typically expressed in terms of POD curves, and the effects of human and organisational factors on the inspection are typically tackled by the regulations, procedures and by the qualification and training of the inspection personnel. However, studies have shown that even the most experienced personnel can make mistakes and that the reliability in the field is never as high as the reliability measured in the POD experiments. Generally, HF are considered too unpredictable and too uncontrollable to model. If that is the fact, then what can we do? The engineering perspective to this problem has often been to find ways to automate inspections and, recently, to make use of artificial intelligence tools to decrease the direct effect of people on the inspection results and improve the overall efficiency and reliability. However, despite automation and AI, people remain the key players, though their tasks change. The contemporary approach to HF is not to engineer them out of the system but to design human-machine systems that make the best use of both. In this talk, ways of tackling HF in the design of systems and processes will be presented.
The LAUS: First applications of a new system for ultrasonic imaging of very concrete structures
(2018)
The LAUS (Large Aperture Ultrasonic System) has been developed to image very thick concrete structures, which are not accessible for commercial systems. The device and the corresponding software is the result of joint research of BAM, an ultrasonic instrument manufacturer and University of Kassel, Germany. It consists of 12 separate arrays of 32 point-contact shear wave transducers each, which can be deployed in flexible configurations. Each array is combined with battery and transmitter, receiver and wireless communication electronics.
Three case histories are presented. First the system was deployed on a 5-m thick heavily reinforced foundation slab. The reflection of the slab’s bottom was imaged clearly. In addition, a multiple reflection was registered, thus giving hope that even thicker elements might be imaged by the instrument. Second, the LAUS was used to investigate a massive bridge girder where a heavy rainstorm during concreting had led to imperfections that were visible after removing the formwork was removed. The LAUS could image tendon ducts in 1.8m depth and the backwall closely behind them. Some limited areas showed blurred reflections and were checked by drill holes; these areas were affected by diffuse damage which could be repaired by injections. Third, a large retaining wall was checked for thickness.
Meanwhile, the LAUS has been used in underground waste deposits (nuclear and other) for quality assurance of sealing plugs. A confirmed penetration depth of about 7 m has been reached.
Alternative to conventional transmission-based radiography and computed tomography, X-ray refraction techniques are being increasingly used to detect damage in light materials. In fact, their range of application has been recently extended even to metals. The big advantage of X-ray refraction techniques is that they are able to detect nanometric defects, whose size would lie below the resolution of even state-of-the-art synchrotron-based X-ray computed tomography (SXCT). The superiority of synchrotron X-ray refraction radiography and tomography (SXRR and SXRCT) has been shown in the case of light materials, in particular composites. X-ray refraction techniques also yield a quantitifaction of the amount of damage (the so-called relative internal specific surface) and can well be compared with damage models. At the same time, it is impossible for SXRR and SXRCT to image single defects. We show that the combination of refraction- and transmission-based imaging techniques yields an impressive amount of additional information about the type and amount of defects in microstructured materials such as additively manufactured metals or metal matrix composites. We also show that the use of data fusion techniques allows the classification of defects in statistically significant representative volume elements.
The rails of modern railways face an enormous wear and tear from ever increasing train speeds and loads. This necessitates diligent non-destructive testing for defects of the entire railway system.
Non-destructive testing of rail tracks is carried out by rail inspection trains equipped with ultrasonic and eddy current test devices. However, the evaluation of the gathered data is mainly done manually with a strong focus on ultrasonic data, and defects are checked on-site using hand-held testing equipment. Maintenance measures are derived based on these on-site findings.
The aim of the AIFRI project (Artificial Intelligence For Rail Inspection) is to
- increase the degree of automation of the inspection process, from the evaluation of the data to the planning of maintenance measures,
- increase the accuracy of defect detection,
- automatically classify detected indications into risk classes.
These aims will be achieved by training a neural network for defect detection and classification. Since the current testing data is unbalanced, insufficiently labeled and largely unverified we will supplement fused, simulated eddy current and ultrasonic testing data in form of a configurable digital twin.
Corrosion of concrete reinforcement is one of the major damage mechanisms affecting both the load-bearing capacity and the serviceability of reinforced concrete structures significantly. The challenge of detecting corrosion is that the corrosion process in its various forms is not immediately visible, especially in the corrosion initiation phase inside the concrete. When externally discernible damages are observed during visual inspections on the structure, the extent of the damage inside the concrete is often already significant. Corrosion caused by carbonation often leads to severe discoloration of the surface or even large-area spalling of the concrete cover. In contrast, chloride-induced corrosion is usually difficult to observe visually, but can cause much more serious damage in less time. The effect occurs locally and can lead to weakening of the cross-section of the reinforcement. This, in turn, can cause sudden structural collapses without prior notice. Therefore, it is important to investigate whether there is protection against corrosion of the reinforcement in the concrete and to detect active corrosion in the structure at an early stage.
In the meanwhile, various non-destructive and minimally invasive testing methods are available to evaluate the resistance to penetration of corrosion-promoting pollutants and to detect active corrosion. In this paper, a bridge crossing the river Regen (Germany) is used as a case-study to demonstrate how the information obtained applying different testing methods can be combined and evaluated in the context of structural reassessments. Both the results of the permeability testing (Torrent tester) and the electrical resistance measurement (Wenner probe) are considered, as well as active corrosion areas are localized using the half-cell potential mapping combined with the concrete cover measurement with the eddy current method and ground penetrating radar (GPR). The results are evaluated using drill cores and in addition laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) was applied to obtain information about possible ion transport in the concrete.
The testing of gas and humidity sensors is essential for the application of sensing devices. The testing determines properties of an investigated humidity sensor or gas sensor. In testing, the sensor property is the observed response of a sensing system to an input stimulus in comparison to a reference within a test procedure. This tutorial is structured into six chapters. The first chapter is about basics of hygrometry and gas sensing. It includes definitions, sensor classification, overview of application categories, as well as construction and functional principles. The chapter on requirements of deployed sensors focus on stability, response time, cross-sensitivity, electrical and mechanical requirements, and other. The sensing performance is characterised by determinations of parameters like accuracy, repeatability, detection limits (low and high), and response/recovery time. The description of testing signals on specified qualitative and quantitative characteristics, and the adequately estimated measurement uncertainty is the content of the analysis chapter. All chapters contain examples of testing procedures from testing/calibration labs for hygrometers and gas sensors which are essential for implementation into quality management systems.
This work presents the testing of a developed electronic nose for outdoor odour nuisance monitoring. The sensor system consists of a sampling system, a measuring cell equipped with commercially available low-cost gas sensor elements and a data acquisition system. The sensor testing showed that the developed prototype is able to distinguish, identify and partially quantify individual odorous substances like ethanol, ammonia and hydrogen sulphide. Ethanol and ammonia could even be detected below or near their odour threshold.
In the last few years, the use of machine learning has emerged in the field of distributed fiber optic sensors as a promising approach to enhance their performance and provide new capabilities. In this study, we use machine learning for simultaneous measurements of temperature and humidity in polyimide (PI)-coated optical fibers based on Brillouin Brillouin optical frequency domain analysis (BOFDA). Different non-linear machine learning algorithms are employed, namely polynomial regression, decision trees and artificial neural networks (ANNs), and their discrimination performance is benchmarked against that of the conventional linear regression. The performance is evaluated using leave-one-out cross-validation to ensure that the models are reliable and able to generalize well on new data. We show that nonlinear machine learning algorithms outperform the conventional linear regression and thus could pave the way towards simultaneous cost-effective temperature and humidity distributed sensing, which has the potential to find attractive new applications in the field of civil and geotechnical engineering, from structural health monitoring of dikes and bridges to subsea cables and long pipelines corrosion detection.
Systematic errors in the evaluation of uncorrected data from thermographic lock-in measurements
(2018)
Lock-in thermography (LT) is based on the correct evaluation of phase differences between the temperature oscillations at different surface regions of the object under test during periodic heating. Since the usual heating procedures contain a DC component, the actual heating pattern achieved is not harmonic. This causes systematic deviations when phase differences are determined by means of harmonic analysis, e.g. with FFT analysis. The resulting errors depend clearly on the ratio between DC and AC amplitude, which is demonstrated at simulated and experimentally recorded temperature transients. Further experimental LT data obtained by different oscillating energy inputs showed a variety of possible shapes of transients with different DC components.
Die zeitaufgelöste THz-Spektroskopie (THz-TDS) operiert mit elektromagnetischen Impulsen, die ein Amplitudenspektrum im unteren THz-Bereich aufweisen. Die THz-TDS ist in der Lage, dielektrische Volumina zerstörungs- und kontaktfreie zu durchstrahlen. Um eine 3D-THz Bildung zu ermöglichen, wurde für die THz-TDS ein rechnergestütztes Mess- und Rekonstruktionsverfahren (THz-TD-SAFT) entwickelt, mit dem es gelingt, unter Verwendung der im Zeitbereich registrierten THz-TDS-Daten das Volumeninnere in Form eines dreidimensionalen Tomogramms zu rekonstruieren. Die THz-TD-SAFT basiert auf die für die Ultraschalltechnik entwickelte Synthetische Apertur Fokussierung (SAFT) bzw. des heuristisch begründeten Algorithmus des Synthetischen Apertur Radars (SAR). Anhand von Beispielen wird die Möglichkeiten der THz-TD-SAFT demonstriert und nachgewiesen, dass mit dem Rekonstruktionsansatz die künstlich eingebauten Fehlstellen bezüglich der Position und Größe geometrisch richtig im Tomogramm abgebildet werden können.
In this work, synchrotron X-ray refraction radiography (SXRR) was combined with in-situ heat treatment to monitor microstructure and porosity evolution as a function of temperature. The investigated material was a laser powder bed fusion (LPBF) manufactured AlSi10Mg, where the initial eutectic Si network is known to break down into larger particles with increasing temperature. Such alloy is also prone to thermally induced porosity (TIP). We show that SXRR allows detecting the changes in the Si-phase morphology upon heating, while this is currently possible only using scanning electron microscopy. SXRR also allows observing the growth of pores, usually studied via X-ray computed tomography, but 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 susceptibility of any material to thermally induced damage and/or microstructure evolution over statistically relevant volumes.
Absorption edge tomography is a method which exploits the sudden change of the attenuation coefficient, when the photon energy crosses the absorption edge of an element. The beamline BAM line at BESSY II, which is operated by the Federal Institute for Materials Research and Testing, can provide a monochromatized beam in a photon energy range from 5 keV up to 80 keV with a bandwidth of 2%. Together with the microtomography setup, this enables differential tomography sensitive to any element with N >= 24 (Cr) by using an appropriate K- or L-edge in this range. Here, a polymer filament embedding metal organic framework (MOF) was prepared and used for 3D printing. Absorption edge tomography at the copper K edge was employed to perform a non-destructive 3D characterization of the microstructure of the embedded MOF. Data fusion was then used to determine the size distribution of the embedded MOF.