Analytische Chemie
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The rising popularity of additive manufacturing processes leads to an increased interest in possibilities and methods for related process monitoring. Such methods ensure improved process quality and increase the understanding of the manufacturing process, which in turn is the basis for stable component quality, e.g., required in the aerospace industry or in the medical sector. For laser powder bed fusion, a handful of process monitoring tools already exist, such as optical tomography, thermography, pyrometry, imaging, or laser power monitoring. Although these tools provide helpful information about the process, more information is required for an accurate in-depth understanding. In this article, advanced approaches in eddy current testing (ET) are combined, such as single wire excitation, magnetoresistive (MR) sensor arrays, and heterodyning to build up a system that can be used for online process monitoring of laser powder bed fusion. In addition to detailed information about the developed ET system and underlying signal processing, the first results of magnetoresistance-basedonline ET during the laser powder fusion process are presented. While producing a step-shaped cuboid, each layer is tested during recoating.
Test results show that not only the contours of the topmost layer are detected but also the contours of previous layers covered by powder. At an excitation frequency of 1 MHz, a penetration depth of approx. 400 μm is obtained. To highlight the possibilities of ET for online process monitoring of laser powder bed fusion, results are compared with postexposure images of the integrated layer control system (LCS).
This guideline was drafted following and complementing the norm ISO 22232-2:2020(E) to include air-coupled ultrasonic transducers. This document specifies the characteristics of probes used for non-destructive air-coupled ultrasonic testing with center frequencies above 20 kHz, with focusing or without focusing means.
In this study, the concept of a zero mass flow liner is evaluated. The concept enables impedance control by theinduction of, acoustically actuated, periodic bias flowthrough the facing sheet of the liner. Bymeans of the periodic bias flow, the impedance of the liner is adapted to different grazing flowconditions.The equivalent fluid impedancemodel for perforated plates is modified to account for the effects of periodic bias and grazing flow. A generally applicable optimization routine, using the impedance of the lined surface as a boundary condition in a numeric calculation, is implemented. Based on the results of the optimization, a zero mass flow liner is manufactured and evaluated experimentally. The damping characteristics are assessed in the form of dissipated energy along the lined surface.
Prediction and measurements show reasonable agreement. The zero mass flow liner delivers broadband dissipation of high peak value over a range of grazing flow Mach numbers. Under grazing flow, the effect of periodic bias flow is reduced. For a ratio of grazing to bias flow velocities larger than five, no appreciable effect is found. This poses considerable energy requirements on the actuation source for the application in high-Mach-number flow regimes.
Background Due to physical coupling between mechanical stress and magnetization in ferromagnetic materials, it is assumed in the literature that the distribution of the magnetic stray field corresponds to the internal (residual) stress of the specimen.
The correlation is, however, not trivial, since the magnetic stray field is also influenced by the microstructure and the geometry of component. The understanding of the correlation between residual stress and magnetic stray field could help to evaluate the integrity of welded components.
Objective This study aims at understanding the possible correlation of subsurface and bulk residual stress with magnetic stray field in a low carbon steel weld. Methods The residual stress was determined by synchrotron X-ray diffraction (SXRD, subsurface region) and by neutron diffraction (ND, bulk region). SXRD possesses a higher spatial resolution than ND. Magnetic stray fields were mapped by utilizing high-spatial-resolution giant magneto resistance (GMR) sensors.
Results The subsurface residual stress overall correlates better with the magnetic stray field distribution than the bulk stress.
This correlation is especially visible in the regions outside the heat affected zone, where the influence of the microstructural features is less pronounced but steep residual stress gradients are present.
Conclusions It was demonstrated that the localized stray field sources without any obvious microstructural variations are associated with steep stress gradients. The good correlation between subsurface residual stress and magnetic signal indicates that the source of the magnetic stray fields is to be found in the range of the penetration depth of the SXRD measurements.
An experimental cold-gas study of the response of a choked convergent–divergent nozzle to swirl perturbations is presented. The perturbations were obtained by means of upstream unsteady tangential injections into initially steady flows with different values of steady background swirl. The swirl perturbations induced changes in the axial mass-flow rate, due to either their ingestion or evacuation by the nozzle. This in turn caused a downstream acoustic response. For low-intensity background swirl the responses were found to be similar to those obtained without steady background swirl. Perturbations of a high-intensity background swirl led to different effects. For long injection times, the negative mass-flow rate modulation occurred in two stages. The first stage was similar to that of the background-swirl free case. The second stage occurred after a short time delay, and induced a much stronger negative acoustic response. This unexpected behavior suggests that a significant part of the tangentially injected fluid flows upstream inducing an accumulation of swirl, which is – after tangential injection is ceased – suddenly cleared out through the nozzle. A scaling rule for the amplitudes of these acoustic responses is reported. Furthermore, quasi-steady models, based on steady-state measurements are proposed. These models predict the downstream acoustic response amplitude within a factor two. Additionally, preliminary empirical evidence of the effect of swirl on the downstream acoustic response due to the interaction of entropy patches with a choked nozzle is reported. This was obtained by comparison of sound produced by abrupt radial or tangential sonic injection, upstream from the choked nozzle, of air from a reservoir at room temperature to that from a reservoir with a higher stagnation temperature. Because the mass flow through the nozzle does not increase instantaneously, the injected higher-enthalpy air accumulates upstream of the injection-port position in the main flow. This eventually induces a large downstream acoustic pulse when tangential injection is interrupted. The magnitude of the resulting sound pulse can reach that of a quasi-steady response of the nozzle to a large air patch with a uniform stagnation temperature equal to that of the upstream-injected heated air. This hypothesis is consistent with the fact that the initial indirect-sound pulse is identical to one obtained with unheated air injection. The authors posit that – given all of the insight gleaned from them in this case – acoustic measurements of indirect sound appear to be a potentially useful diagnostic tool.
Zur Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern werden mehrere verschiedene Methoden und Verfahren angewendet. Durch die unterschiedlichen Herangehensweisen werden oft unterschiedliche Prüfkopfpara-meter und Schallfeldgrößen ermittelt, was einen direkten Vergleich von Datenblättern erschwert. Für die Charakterisierung von Kontakt- und Tauchtechnikprüfköpfen hat sich ISO 22232-2:2021 bereits etabliert, allerdings ist diese Norm nicht auf die luftgekoppelten Wandlertechnologien direkt übertragbar. Daher erkannten Hersteller, Forschungseinrichtungen und Anwender den Bedarf an einer Richtlinie zur einheitlichen Charakterisierung von luftgekoppelten Wandlern. Gemeinsam arbeiten sie aktuell im Rahmen des Unterausschusses „Luftgekoppelte Ultraschallprüfung“ der DGZfP an der Erstellung einer solcher Richtlinie mit dem Anspruch, die bestehende Normung um die luftgekoppelte Prüfung zu erweitern und somit die Vereinheitlichung der Charakterisierung dieser Wandler zu erleichtern.
In diesem Beitrag wird ein Überblick über den geplanten Inhalt der Richtlinie und über die Methoden zur akustischen Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern gegeben. Insbesondere werden verschiedene Methoden der Ermittlung von wichtigen Wandlerparametern wie z.B. Empfindlichkeit, Mittenfrequenz, Bandbreite, Fokusgröße und Fokusabstand dargestellt und verglichen.
The aim of this work is to achieve reliable nondestructive evaluation (NDE) of adhesively bonded aerospace components by developing novel multidimensional data fusion techniques, which would combine the information obtained by ultrasonic and X-ray NDE methods. Separately, both NDE techniques have their advantages and limitations. The integration of data obtained from pulse echo immersion ultrasound testing and radiography holds immense potential to help improve the reliability of non-destructive evaluation. In this study, distinctive features obtained from single techniques, traditional ultrasonic pulse echo testing, and radiography, as well as fused images, were investigated and the suitability of these distinctive features and fusion techniques for improving the probability of defect detection was evaluated. For this purpose, aluminum single lap joints with brass inclusions were analyzed using ultrasound pulse echo and radiography techniques. The distinctive features were extracted from the data obtained, and images of features obtained by both techniques were fused together. Different combinations of features and fusion algorithms were investigated, considering the desire to automate data evaluation in the future.
Geführte Ultraschallwellen sind für die Materialcharakterisierung hervorragend geeignet, da ihr Ausbreitungsverhalten abhängig von den Materialeigenschaften des untersuchten Werkstoffs ist.
Um aus dem messtechnisch ermittelten Ausbreitungsverhalten geführter Ultraschallwellen Rückschlüsse auf die Materialparameter zu ziehen, werden in der aktuellen Forschung verschiedene inverse Methoden diskutiert. Dispersionsabbildungen im Frequenz-Wellenzahl-Bereich repräsentieren das Ausbreitungsverhalten geführter Ultraschallwellen. Maschinelles Lernen und insbesondere Convolutional-Neural-Networks (CNNs) sind eine Möglichkeit der automatisierten inversen Bestimmung der Materialparameter aus den Dispersionsabbildungen.
In diesem Beitrag wird anhand synthetischer Daten gezeigt, wie das Ausbreitungsverhalten von geführten Ultraschallwellen unter Verwendung von CNNs und Dispersionsabbildungen genutzt werden kann, um die elastischen Konstanten einer isotropen plattenförmigen Struktur zu bestimmen. Anhand dieses Beispiels wird das generelle Vorgehen zur Anwendung maschineller neuronaler Lernverfahren aufgezeigt. Hierfür werden die verwendeten Daten analysiert, das Preprocessing erläutert und eine einfache CNN-Architektur gewählt. Im Rahmen der Auswertung wird insbesondere Wert auf die Erklärbarkeit und Zuverlässigkeit des verwendeten CNNs gelegt und so Grenzen und Möglichkeiten aufgezeigt.
In non-destructive testing and structural health monitoring with ultrasonic waves, the quantification of damage in components is one of the main tasks. In many shell-like structures, such as plates, pipes, or laminate components, ultrasonic waves propagate as guided waves. Although guided waves enable the testing of large areas, their multimodal and dispersive properties make it challenging to analyze signals. So, there is a need for more advanced algorithms to handle these properties, especially when reconstructing damage position and geometry.
The reconstruction can be formulated as an inverse problem where the measured signals are fitted with a simulative forward model. Due to the small wavelength of ultrasonic waves, classic forward models based on, e.g., the Finite Element Method are computationally intensive. In contrast, the authors use the semi-analytical Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) to reduce the computational effort. The SBFEM approximates arbitrary long, undamaged parts of the structure with only a few degrees of freedom.
This contribution summarizes a general inverse procedure based on algorithmic differentiation in combination with the SBFEM. Results are presented for damaged 2D cross-sectional models of waveguides. These results include an analysis of the robustness of the proposed algorithms against noise.
This paper considers an indirect measurement approach to reconstruct a defect in a two-dimensional waveguide model for a non-destructive ultrasonic inspection via derivative-based optimization. The propagation of the mechanical waves is simulated by the scaled boundary finite element method that builds on a semi-analytical approach. The simulated data are then fitted to given data associated with the reflected waves from a defect which is to be reconstructed. For this purpose, we apply an iteratively regularized Gauss-Newton method in combination with algorithmic differentiation to provide the required derivative information accurately and efficiently. We present numerical results for three kinds of defects, namely, a crack, delamination, and corrosion. The objective function and the properties of the reconstruction method are investigated. The examples show that the parameterization of the defect can be reconstructed efficiently as well as robustly in the presence of noise.
Ein Hauptziel der zerstörungsfreien Prüfung und der Strukturüberwachung (engl. Structural Health Monitoring - SHM) mit Ultraschallwellen ist die Charakterisierung von Schäden in Bauteilen. In vielen schalenförmigen Bauteilen, wie zum Beispiel Rohrleitungen, Laminaten und Platten, breitet sich der Ultraschall in Form geführter Wellen aus. Zwar erlauben geführte Wellen eine großflächige Prüfung durch das langsame Abklingen der Wellen. Jedoch breiten sich die Wellen in verschiedenen dispersiven Moden aus, was die Analyse der vom Schaden erzeugten Reflexionen erschwert. Eine Möglichkeit, die Messsignale zu interpretieren, um Schäden zu charakterisieren, ist der direkte Vergleich mit einem Simulationsmodell. Die Rekonstruktion des Schadens stellt ein inverses Problem dar. Das inverse Problem kann als Optimierungsproblem formuliert werden. Für die Optimierung werden mehrere Vorwärtsrechnungen gebraucht, um das Schadensmodell an die Messdaten anzupassen.
Aufgrund der kurzen Wellenlängen von Ultraschallwellen sind klassische Methoden für die Vorwärtsrechnung, wie z.B. die Finite Elemente Methode (FEM), rechenintensiv. Eine Möglichkeit den Rechenaufwand zu reduzieren, bietet die Approximation der Wellenausbreitung mittels der semi-analytischen Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM). Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die benötigten Freiheitsgrade im Vergleich zur FEM wesentlich geringer sind [1].
Im Beitrag wird eine Optimierung basierend auf einem Gradientenverfahren in Kombination mit der SBFEM vorgestellt und an verschiedenen Schadenstypen in 2D-Querschnittsmodellen von Stahlplatten getestet. Der Gradient des Vorwärtsmodells wird durch Algorithmisches Differenzieren berechnet, wodurch eine genaue und schnelle Optimierung ermöglicht wird. Es werden Untersuchungen zum inversen Problem und das Finden einer geeigneten Zielfunktion präsentiert. Es wird verdeutlicht, dass der entwickelte Algorithmus robust gegenüber von Rauscheinflüssen ist. In diesen Untersuchungen werden zunächst „Messdaten“ aus unabhängigen Simulationen verwendet [2]. Erste Schritte für die experimentelle Validierung und Erweiterung auf 3D Modelle werden anschließend vorgestellt.
Data-driven analysis for damage assessment has a large potential in structural health monitoring (SHM) systems, where sensors are permanently attached to the structure, enabling continuous and frequent measurements. In this contribution, we propose a machine learning (ML) approach for automated damage detection, based on an ML toolbox for industrial condition monitoring. The toolbox combines multiple complementary algorithms for feature extraction and selection and automatically chooses the best combination of methods for the dataset at hand. Here, this toolbox is applied to a guided wave-based SHM dataset for varying temperatures and damage locations, which is freely available on the Open Guided Waves platform. A classification rate of 96.2% is achieved, demonstrating reliable and automated damage detection. Moreover, the ability of the ML model to identify a damaged structure at untrained damage locations and temperatures is demonstrated.
The fourth dataset dedicated to the Open Guided Waves platform presented in this work aims at a carbon fiber composite plate with an additional omega stringer at constant temperature conditions. The dataset provides full ultrasonic guided wavefields. Two types of signals were used for guided wave excitation, namely chirp signal and tone-burst signal. The chirp signal had a frequency range of 20-500kHz. The tone-burst signals had a form of sine modulated by Hann window with 5 cycles and carrier frequencies 16.5kHz, 50kHz, 100kHz, 200kHz, 300kHz. The piezoceramic actuator used for this purpose was attached to the center of the stringer side surface of the core plate. Three scenarios are provided with this setup: (1) wavefield measurements without damage, (2) wavefield measurements with a local stringer debond and (3) wavefield measurements with a large stringer debond. The defects were caused by impacts performed from the backside of the plate. As result, the stringer feet debonds locally which was verified with conventional ultrasound measurements.
Atmospheric pressure plasmas interact in various physical ways with their surroundings. They release heat and generate charge carriers, which leads to two effects. The first effect is the generation of acoustic waves due to heat release, known as the thermoacoustic effect, and the second effect is the perturbation of the resting fluid provoked by the release of charge carriers, called “ionic wind”. The direct connection between the charge carrier production of the discharge arrangement and the surroundings also allows the detection of acoustic waves by tracking the electrical current of the arrangement.
This contribution introduces a multi-fluid model approach to describe the acoustic interaction of atmospheric plasmas. In addition, we present experimental results on commercially available and in-house fabricated discharge arrangements for either emitting or receiving acoustic waves.
Atmospheric pressure plasmas interact in various physical ways with their surroundings. They release heat and generate charge carriers, which leads to two effects. The first effect is the generation of acoustic waves due to heat release, known as the thermoacoustic effect, and the second effect is the perturbation of the resting fluid provoked by the release of charge carriers, called “ionic wind”. The direct connection between the charge carrier production of the discharge arrangement and the surroundings also allows the detection of acoustic waves by tracking the electrical current of the arrangement.
This contribution introduces a multi-fluid model approach to describe the acoustic interaction of atmospheric plasmas. In addition, we present experimental results on commercially available and in-house fabricated discharge arrangements for either emitting or receiving acoustic waves.
Whereas human factors (HF) in the non-destructive testing (NDT) of metallic components are a poorly investigated topic (in comparison to other industrial fields such as aviation), HF in the inspection of concrete components are even less known. Studies have shown that there is always some variability between individuals in their inspection results and that HF affect the reliability of NDT inspections. The aim of the ongoing WIPANO project is to draft a standard for a holistic reliability assessment, with concrete inspection as one case study. This includes also the HF. A human-oriented Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) was carried out to do the following: a) identify possible human-related risks in tunnel inspection processes using a laser scan method (including data collection,evaluation, and assessment of tunnel damage) and b) evaluate these human-related risks as regards their possible causes, consequences and probability of occurrence – in addition with respect to existing and possible preventive measures. The results show that the causes for possible failures can lie within people, the physical environment, technology, organisation, and extra-organisational environment. Whereas current preventive measures rely mostly on the individual and quality management practices, there is potential for even larger improvement at the organisational and extra-organisational level. The FMEA results were also used to develop a quantification method to further understand the HF in tunnel inspection, which could possibly be included in the information into the overall reliability assessment. The usage of qualitative and quantitative data collected through the human-FMEA within the proposed quantification method shows promise that HF can be quantified and could offer broader understanding of HF influences on inspection in various industries.
Visually detecting irregularities on components is a complex process, influenced by physical, technical, and human factors. Current standards mainly focus on illuminance, demanding highest accuracy for it, without providing scientific justification. In this research, 63 inspectors visually inspected forgings, with and without crack-like indications. The influence of illuminance on probability of detection was investigated. Therefore, illuminance was varied in three steps (200 lx, 350 lx, 500 lx). Human factors (e.g., experience, motivation) were recorded by using questionnaires. The results show no significant difference in probability of detection between the three illuminance levels. Equal probability of detection rates could be achieved at illuminances below and at the required threshold (500 lx). A difference in illuminance was found between the measurement point and the test area of the respective participant. This leads to higher assumed illuminance than present on the component. Compared with the measurement accuracy of the used illuminance meter, none of these deviations could be used to explain the similar results at different illuminance. The fact that illuminance has a significant influence in detecting indications has been disproven for this case. Whether human factors can provide explanation for the results remains unclear. This will be investigated in further research.
Menschliche Faktoren sind ein häufig genanntes Thema, wenn wir über
die Zuverlässigkeit der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) sprechen. Die Probability of Detection (POD), das üblicherweise verwendete Maß für die Zuverlässigkeit der ZfP, betrachtet jedoch nur die technische Fähigkeit eines ZfP-Systems, einen Fehler zu entdecken. Nach mehreren Jahrzehnten der Erforschung des Einflusses der menschlichen Faktoren auf die Zuverlässigkeit der ZfP gibt es immer noch keinen allgemein akzeptierten Ansatz, um menschliche Faktoren in der Zuverlässigkeitsbewertung sichtbar zu machen. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über verschiedene verfügbare Methoden zur Einbeziehung menschlicher Faktoren in die Zuverlässigkeitsbewertung. Das Thema ist ein essenzieller Bestandteil des laufenden WIPANO-Projekts "normPOD", das sich als Ziel gesetzt hat, die Standardisierung der Zuverlässigkeitsbewertung in Deutschland voranzutreiben und im Vergleich zu den schon bekannten internationalen Normen einen Fokus auf den Umgang mit den menschlichen Faktoren zu legen.
Bei der simulationsunterstützten Planung kritischer Ultraschallprüfaufgaben ist die detaillierte Kenntnis der Parameter der eingesetzten Prüfköpfe von entscheidender Bedeutung. Durch die, in den Regelwerken (DIN EN ISO 22232-2) zugelassenen Toleranzen bei der Herstellung der Prüfköpfe sind einige Prüfkopfparameter nur ungefähr bekannt. Durch die Alterung von Prüfköpfen und Verschleiß können auch Parameter variieren, die nicht vollständig durch die erforderliche Justierung ausgeglichen werden können. Daher sind zusätzlichen Vorversuche oft unvermeidlich. In dieser Arbeit wurden nach einer statistischen Versuchsplanung (DoE) Untersuchungen zur relativen Echo-Empfindlichkeit von konventionellen Prüfköpfen durchgeführt. Die Auswertung wurde für prüfkopfbezogene und personenbezogene Stichproben durchgeführt. Es wird gezeigt, wie weit die Daten um den Zentralwert herum verteilt sind bzw. wie sehr sich das Testobjekt im untersuchten Merkmal unterscheidet. Gerade in Hinblick auf die Beurteilung der intrinsischen Fähigkeit von Prüfverfahren und der Human Factors wird das POD-Analysekonzept zur quantitativen Bewertung der Zuverlässigkeit weiterentwickelt. Die HF-Quantifizierung bezieht sich auf verschiedene Faktoren und Methoden, die in der Veröffentlichung von M. Bertovic et al. [1] ausführlich beschrieben wurden. Die Schritte, die für das Bewertungsverfahren zur POD-Analyse erforderlich sind, werden in der Veröffentlichung von D. Kanzler et al. [2] detailliert dargestellt. Die grundlegenden Anforderungen an die Testkörpersätze für die POD-Analyse wurden in der Publikation von A. Jüngert et al. [3] zusammengefasst. Diesbezüglich wurden mit Hilfe von Simulationsrechnungen die möglichen Abweichungen an Beispielen der im Projekt norm- POD ausgewählten Prüfanordnungen dargestellt. Die Ergebnisse wurden Messungen an Testkörpern gegenübergestellt.
Im Rahmen des WIPANO Vorhabens „normPOD“ wird eine Richtlinie zur experimentellen und simulationsgestützten Zuverlässigkeitsbewertung erstellt. In der Richtlinie wird die Zuverlässigkeitsbewertung beispielhaft für zwei praktische Anwendungsfälle vorgestellt. Ein Anwendungsfall beschäftigt sich mit konventionellen Ultraschallprüfungen an ferritischen Stählen und deren
Schweißnähten.
Zur Berechnung von Probability-Of-Detection (POD)-Kurven ist es notwendig, dass ein geeigneter Testkörpersatz zur Verfügung steht, der sowohl leicht zu findende Fehlstellen als auch Fehlstellen, die an der Grenze der Detektierbarkeit liegen, enthält.
Im Vorhaben kommen verschiedene Testkörper zum Einsatz, die entweder Ersatzfehler wie Nuten und Bohrungen oder künstlich eingebrachte realistische Fehlstellen wie Risse und Schweißfehler enthalten.
Zur Erstellung eines möglichst allgemeinen Leitfadens zur Testkörperherstellung für die Zuverlässigkeitsbewertung werden verschiedene Möglichkeiten betrachtet. Es wird ein Testkörpersatz mit Ersatzfehlern hergestellt und durch Testkörper mit realistischen Fehlstellen ergänzt. Mit Hilfe von Simulationen mit CIVA sollen die optimalen Konfigurationen und Anordnung von realistischen Fehlstellen und Ersatzfehlern identifiziert, und anschließend mithilfe geeigneter Fertigungsverfahren eingebracht und validiert werden. Neben den Testkörpern, die gezielt für das Vorhaben hergestellt werden, kommen außerdem kommerziell erhältliche Testkörpersätze mit realistischen Fehlstellen zum Einsatz.
Die Prüfaussage einer Ultraschallprüfung hängt weiterhin wesentlich von den Informationen ab, die dem Prüfpersonal vor Ort zur Verfügung steht. Es muss ein ausgewogenes Maß zwischen zu wenig und zu viel Informationen gefunden werden.
Im letzten Schritt wird deshalb eine geeignete Vorlage für eine Prüfanweisung erstellt, die so formuliert ist, dass die Wahrscheinlichkeit menschlicher Fehler (z. B. Missverständnis, Fehlinterpretation, Überspringen von Schritten usw.) möglichst gering ist.