Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
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The hard X-ray beamline BAMline at BESSY II (Berlin, Germany) has now been in service for 20 years. Several improvements have been implemented in this time, and this review provides an overview of the imaging methods available at the BAMline. Besides classic full-field synchrotron X-ray computed tomography (SXCT), also absorption edge CT, synchrotron X-ray refraction radiography (SXRR), and synchrotron X-ray refraction tomography (SXRCT) are used for imaging. Moreover, virtually any of those techniques are currently coupled in situ or operando with ancillary equipment such as load rigs, furnaces, or potentiostats. Each of the available techniques is explained and both the current and the potential usage are described with corresponding examples. The potential use is manifold, the examples cover organic materials, composite materials, energy-related materials, biological samples, and materials related to additive manufacturing. The article includes published examples as well as some unpublished applications.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Eigenschaften der photonenzählenden und spektralauflösenden Detektortechnik und möglichen Anwendungsgebieten in der zerstörungsfreien Prüfung. Dabei wurden konventionelle und photonenzählende Detektortechniken hinsichtlich der Bildqualität und Anwendbarkeit bei unterschiedlichen Prüfaufgaben verglichen und untersucht, inwiefern sich die Energieschwellwertsetzung auf die erreichbare Bildqualität und eine Materialdiskriminierbarkeit bei verschiedenen radiographischen Verfahren auswirkt.
Anhand von Anwendungsbeispielen wurden diese Eigenschaften und deren Auswirkung auf das Messergebnis analysiert. Neben der Radiographie wurden auch dreidimensionale Verfahren wie CT und Laminographie berücksichtigt.
Als eine der wichtigsten Eigenschaften der photonenzählenden Detektortechnik wurden zunächst die Energieauflösung des photonenzählenden Detektors und die Homogenität der Energieantwort über größere Detektorbereiche bestimmt. Dabei stellte sich heraus, dass die Energieauflösung eines abgegrenzten Detektorbereichs ca. 32 % bei 60 keV beträgt und die Streuung in der Energieantwort der einzelnen Detektorbereiche ca. 12 % ausmacht, woraus sich eine Gesamtunsicherheit in der spektralen Detektorantwort von ca. 44 % ergibt. Die geringe Energieauflösung und das stark heterogene Verhalten der Detektorbereiche ergeben sich vor allem aus der Detektorelektronik, welche nur eine globale Energieschwellwertsetzung zulässt.
Trotz dieser Einschränkungen konnte demonstriert werden, dass auch konventionelle radiographische Verfahren, wie Radiographie oder CT, vom Einsatz der photonenzählenden Technik profitieren. So ist es mit dieser Technik möglich, bei sehr geringen Dosisleistungen (z.B. aufgrund der Durchstrahlung großer Wandstärken von dichten Materialien) noch sehr gute Bildqualitäten zu erreichen. Die hohe Dynamik und Kontrastempfindlichkeit dieser Technik begünstigen die Inspektion von Leichtbauwerkstoffen wie Faserverbunde, was anhand von Vergleichen mit herkömmlicher Detektortechnik und anderen ZfP-Verfahren gezeigt werden konnte. Daneben konnte durch den Einsatz der Energieschwellwertsetzung der Einfluss von nicht bildzeichnender Streustrahlung im Röntgenbild um bis zu 20 % reduziert werden. Die Auswirkungen von Aufhärtungseffekten in der CT konnten sogar um bis zu Faktor 1 000 (in der mittleren quadratischen Abweichung), im Vergleich zu herkömmlicher Detektortechnik, reduziert werden.
Der Einsatz von photonenzählender Detektortechnik mit Röntgenblitzröhren ist hingegen nicht sinnvoll, da aufgrund der hohen Photonendichte pro Puls und einer endlichen Totzeit des Detektors in der Größenordnung der Pulsbreite eines Blitzes nur ein geringes Signal detektiert werden kann.
Im Hinblick auf eine Materialdiskriminierbarkeit konnte demonstriert werden, dass im Fall einer Radiographie anhand der Energieschwellwertsetzung im Detektor eine materialstärkenunabhängige Diskriminierung zwischen zwei Materialien (hier: Al und Fe) erzielt werden kann. Unter Einsatz mehrerer Energiefenster und eines Verfahrens der explorativen und multivariaten Datenanalyse konnte eine materialaufgelöste CT eines Multi-Material-Phantoms erreicht werden, wobei die Schwächungskoeffizienten der enthaltenen Materialien im relevanten Energieberiech teilweise sehr dicht beieinander lagen.
Neben Radiographie und CT wurde auch die Möglichkeit einer materialaufgelösten Laminographie am Beispiel eines glasfaserverstärkten Rotorblatts untersucht. Anhand der Energieschwellwertsetzung war nicht nur eine eindeutige Trennung der Glasfasern von der Epoxidharzmatrix möglich, sondern auch eine signifikante Reduzierung der durch die Laminographie entstandenen Artefakte. Der damit verbundene Gewinn an Information führt zu einer verbesserten Aussagefähigkeit des Untersuchungsergebnisses, was letztendlich eine gesteigerte Betriebssicherheit zur Folge hat.
Neutron cameras allow visualizing hydrogen distributions with radiographic or tomographic imaging methods in iron and steel.
The necessary contrast between hydrogen and iron stems from the high difference in the total neutron cross section of both elements. This allows e.g. the in situ measurement of hydrogen mass flow inside cm thick steel samples with a temporal resolution of 20 s using neutron radiography as well as the quantitative measurement of hydrogen accumulations at the crack’s inner surfaces in hydrogen embrittled iron samples with neutron tomography. We could detect directly gaseous hydrogen in the crack cavities and we measured the gas pressure. This new quality of the information on a micrometer scale allows new insights for the analysis of hydrogen-induced damage mechanisms. Further, this method is non-destructive and provides local information in situ and in three dimensions with a spatial resolution of 20-30 μm.
In this contribution, we show examples that demonstrate the spatial and temporal resolution of the neutron radiography and tomography methods in order to visualize and quantify hydrogen accumulations at cracks. The measurements were performed
at the research reactor BER II of the HZB in Berlin and at the FRM II reactor of the neutron source Heinz Maier-Leibnitz in
Garching.
Defect recognition in CFRP components using various NDT methods within a smart manufacturing process
(2017)
The manufacturing process of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) components is playing a more and more significant role when looking at the increasing amount of CFRPs used in industries today. The monitoring of the manufacturing process and hence the reliability of the manufactured products, is one of the major challenges we need to face in the near future. Common defects which arise during manufacturing are e.g. porosity and voids which may lead to delaminations during operation and under load. To find those defects in an early stage of the manufacturing process is of huge importance for the safety and reliability of the finished products, as well as of significant impact from an economical point of view. In this study we present various NDT methods which are applied to similar CFRP laminate samples in order to detect and characterize defective volume. Besides ultrasound, thermography and eddy current, different x-ray methods like radiography, laminography and computed tomography are used to investigate the samples. These methods are compared with the intention to evaluate their capability to reliably detect and characterize defective volume. Beyond the detection of flaws, we also investigate possibilities to combine various NDT methods within a smart manufacturing process in which the decision which method to apply is made by the process itself. Is it possible to design an in-line or at-line testing process which can recognize defects reliably and reduce testing time and costs? This study aims to show up opportunities of designing a smart NDT process synchronized to the production based on the ideas of smart production (Industry 4.0). A set of defective CFRP laminate samples and different NDT methods were used to demonstrate how effective defects are recognized and how communication between interconnected NDT sensors and the manufacturing process could be organized.
How much information do we need? A reflection of the correct use of real defects in POD-evaluations
(2016)
To evaluate the capability of a non destructive testing system the “truth” of the used defects is essential. But what exactly is the truth of a real defect? And how much information is usable for the study? This presentation gives an overview about an advanced use of multiple metallographic cuts for the POD evaluation. In the presentation an approach is shown where information of metallographic studies are reconstructed and weighted to gain the essential information about real defects and which information are important for the detection with radiographic testing equipment. Furthermore, different connection points are discussed were additional knowledge from simulation and artificial defects can be used to gain additional certainty for the result of the evaluation. The methodology is used for the evaluation for the digital radiographic testing system for the testing of electron-beam welds, which is one possible choice to seal the Finnish copper canisters for the final deposit of spent nuclear fuel.
Der Stand der Technik beim digitalen Filmersatz in der Gussteilpruefung in Giessereien wird betrachtet.Eine Reihe von Normen fuer den Ersatz des Roentgenfilms durch neue digitale Detektoren wurde in den letzten Jahren veroeffentlicht. Die verschiedene Fehlertypen werden mit Fehlerkatalogen bewertet, die ebenfalls digital verfuegbar sind. Die Bildverarbeitung gestattet eine einfachere Bewertung der Anzeigen. Eine automatische Bewertung von Gussteilen durch den Computer erlaubt vollautomatische Anlagen, die 10 000 Teile pro Tag pruefen.
This work presents the use of limited experimental measurements to develop a set of calibrated Simulation parameters that can then be used for reliable simulation of subsea pipeline inspections. The modelling software aRTist is used as the simulation tool, and the calibration is through comparison with experimental images of a well characterised sample in a water tank. Image Quality parameters such as signal-to-noise ratio, contrast and basic spatial resolution are compared with the aim of matching simulated values to experimental results. Currently the model is partially calibrated, with signal-to-noise ratio successfully matched while differences are still found in contrast-to-noise ratio comparisons. This means that measurements depending on absolute intensity are not accurate enough in the simulation at this stage. However, the simulation is found to be accurate for wall thickness measurements in tangential images, which are not based on absolute intensity, with simulated and experimental cases producing similar results.
In situ crack detection in the mushy zone and the solid weld of a gas tungsten arc (GTA) weld using X-ray imaging during welding is a new research area for NDT inspection. Usually, NDT flaw detection is done after the complete solidification of the weld seam. In this paper, we present the use of real-time radiography with a minifocus X-ray source (YXLON X-ray tube Y.TU 225-D04) and a 75μm pixel size digital detector array (Dexela 1512) for the acquisition of 2D radiographic images by a sequence of exposures with time intervals of 80 ms for hot crack detection during single pass bead-on-plate GTA welding of 3 mm thick plates of aluminium alloy AlMgSi (6060). An analysis of the crack distribution in the weld sample is conducted from the acquired 2D radiographs and its corresponding 3D volumetric reconstruction achieved by linear coplanar digital laminography.
This in situ approach opens new possibilities in the field of hot crack research by having the direct information of both the crack initiation and growth and its correlation to the welding parameters.
The new standard ‘ISO 17636-2:2013: Non-destructive testing of welds — Radiographic testing — Part 2: X- and gamma-ray techniques with digital detectors’, defines the practice for radiographic inspection of welded pipes for manufacturing and in-service inspection. It is applied in Europe for inspections of pipe welds in nuclear power plants as well as in chemical plants and allows a faster inspection with digital detector arrays (DDA) than with film. Nevertheless, it does not allow the evaluation of the depth and shape of volumetric and planar indications. In 2001 a planar tomography scanner, TomoCAR, was introduced for mechanized radiographic testing (RT) inspection and non-destructive measurement of cross sections. The project TomoWELD is based on a new concept of the scan geometry, an enhanced GPU based reconstruction, and the application of a new generation of photon counting DDAs based on CdTe crystal CMOS hybrids. The new detector permits the selection of energy thresholds to obtain an optimum energy range and reduction of the influence of scattered radiation. The concept and first measurements are presented. Flaw depth and shape of volumetric and planar irregularities can be determined.