Wissenschaftliche Veröffentlichungen
Übersetzung von wissenschaftlichen Veröffentlichungen und FuE Lösungen
Das Ziel dieser Übersicht ist es den Netzwerkteilnehmern (sowohl Anbietern als auch Anwendern) wissenschaftliche Veröffentlichungen zum Thema Inline-Sensorik zugänglich zu machen. Diese sollen als Inspiration dienen, was mit den Technologien umsetzbar ist, oder als Anhaltspunkt, falls vertieftes Wissen über eine Technologie aufgebaut werden soll. Jede Veröffentlichung wird einem kleinen Absatz auf Deutsch zusammengefasst, wissenschaftlich korrekt zitiert und zur originalen Online-Version verlinkt.
Die Veröffentlichungen sind entsprechend der Eingliederung der Sensortechnologien nach Vorlage des Handbuchs gruppiert. Für jede Kategorie werden mindestens 5 Veröffentlichungen angeboten.
Deren Fokus kann Grundlagen, innovative Anwendungen, Diskussionen verschiedener Technologien (z.B. Vor- & Nachteile verschiedener Röntgenmethoden), State-of-the-Art Sammlungen oder Trends umfassen. Der Fokus liegt auf open-access Paper, jedoch sind in Ausnahmefällen auch kaufbare Veröffentlichungen eine Option, z.B. wenn es sich um eine qualitativ sehr hochwertige Veröffentlichung auf dem Gebiet handelt, welche man unbedingt gelesen haben muss. Kostenpflichtige Publikationen sind in der Liste entsprechend mit (KP) gekennzeichnet.
1. Ultraschallmesstechnik
Die Ultraschallprüfung ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren zur Untersuchung von Materialfehlern und wird in vielen Industrien zur Qualitätssicherung und Instandhaltung eingesetzt. Dabei werden Ultraschallwellen, die typischerweise durch Piezoelemente erzeugt werden, in das Material gesendet. Die Wellen werden an Grenzflächen und Fehlern reflektiert und die zurückkommenden Echos werden analysiert, um Materialfehler zu identifizieren. Piezoelektrische Wandler wandeln elektrische Signale in mechanische Schwingungen und umgekehrt. Eine weitere Methode ist der Laser-Ultraschall, bei dem Laserimpulse genutzt werden, um Ultraschallwellen zu erzeugen. Diese Wellen werden ebenfalls durch das Material geschickt und die Reflexionen mit einem optischen Sensor erfasst. Beide Methoden ermöglichen die Erkennung von Rissen, Poren und anderen Unregelmäßigkeiten im Material. Untersucht werden vor allem feste, harte Materialien wie z.B. Metalle oder Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK).
Wissenschaftliche Veröffentlichungen zu Ultraschallmesstechnik (ausklappen)
“Air-Coupled, Contact, and Immersion Ultrasonic Non-Destructive Testing: Comparison for Bonding Quality Evaluation”
→ Grundlagen und Methoden
Diese Studie bewertet und vergleicht sechs ultraschallbasierte zerstörungsfreie Prüfmethoden (NDT) zur Bewertung der Bindungsqualität von Aluminium-Epoxid-Aluminium-Einzelüberlappungsverbindungen. Zu den untersuchten Techniken gehören Immersion-Through-Transmission- und Pulse-Echo-Verfahren, Scanning Acoustic Microscopy, luftgekoppelte Durchstrahlung sowie zwei geführte Wellenansätze. Die Ergebnisse zeigen, dass Immersionsmethoden und die Scanning Acoustic Microscopy hinsichtlich der Defekterkennung und der Präzision der Defektgrößenbestimmung den luftgekoppelten und geführten Wellenmethoden überlegen sind. Luftgekoppelte Tests bieten Vorteile durch kontaktlose und schnelle Inspektion, weisen jedoch eine geringere Auflösung und Genauigkeit im Vergleich zu Immersionsmethoden auf. Geführte Welleninspektionen zeigen Potenzial für die Langstreckendefekterkennung, sind jedoch weniger präzise bei der Defektgrößenbestimmung.
Yilmaz, B.; Asokkumar, A.; Jasiūnienė, E.; Kažys, R.J. Air-Coupled, Contact, and Immersion Ultrasonic Non-Destructive Testing: Comparison for Bonding Quality Evaluation. Appl. Sci. 2020, 10, 6757.
“Non-destructive testing application of radiography and ultrasound for wire and arc additive manufacturing”
→ Grundlagen und Methoden
Diese Studie bewertet zerstörungsfreie Prüftechniken (NDT) zur Qualitätskontrolle bei der Draht- und Lichtbogen-Additiven Fertigung (WAAM), mit Fokus auf Aluminium- und Stahlteile. Röntgen- und Ultraschallprüfungen zeigten eine effektive Erkennung von Defekten wie Porosität, Einschlüssen und unzureichender Verschmelzung, wobei Einschränkungen von der Defektausrichtung und den Oberflächenbedingungen abhängen. Messungen der elektrischen Leitfähigkeit erwiesen sich als ergänzende Methode, die gut mit Härte- und Mikrostrukturbeobachtungen korreliert und gleichzeitig schnellere und weniger invasive Tests ermöglicht. Die Forschung betont die Notwendigkeit angepasster NDT-Lösungen für WAAM, unter Berücksichtigung von Inline- und Offline-Prüfszenarien. Es wird gefolgert, dass die Kombination mehrerer NDT-Methoden erforderlich ist, um WAAM-spezifische Herausforderungen zu bewältigen und eine zuverlässige Teilequalität zu gewährleisten.
Ana Lopez, Ricardo Bacelar, Inês Pires, Telmo G. Santos, José Pedro Sousa, Luísa Quintino, Non-destructive testing application of radiography and ultrasound for wire and arc additive manufacturing, Additive Manufacturing, Volume 21, 2018, Pages 298-306, ISSN 2214-8604.
“Air-Coupled Broadband Impact-Echo Actuation Using Supersonic Jet Flow”
→ Anwendung: Supersonic jet flow
Diese Studie stellt eine neuartige luftgekoppelte Impact-Echo-(IE)-Aktuierungsmethode vor, die auf Überschall-Strömungsdüsen basiert, um Betonbauwerke zerstörungsfrei zu prüfen. Der Ansatz erzeugt hochfrequente aeroakustische Schallwellen mit breitem Frequenzspektrum und verzichtet auf physischen Kontakt. Experimentelle Validierungen an Betonproben bestätigten die Fähigkeit, Delaminationen in Tiefe und Größe mit hoher Zuverlässigkeit zu erkennen, vergleichbar mit traditionellen kontaktbasierten Methoden. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial für schnellere und flexiblere Prüfungen, auch an vertikalen und überhängenden Oberflächen. Diese Innovation bietet eine robuste und effiziente Alternative zur Bewertung der strukturellen Integrität im Bauwesen.
Strangfeld, C., Grotelüschen, B. & Bühling, B. Air-Coupled Broadband Impact-Echo Actuation Using Supersonic Jet Flow. J Nondestruct Eval 43, 45 (2024).
„Destructive and Non-Destructive Testing of the Performance of Copper Slag Fiber-Reinforced Concrete“
→ Anwendung: Kupferschlacke Faserverstärkter Beton
Beton kann durch die Verwendung von Kupferschlacke als Ersatz für Sand nachhaltiger und energieeffizienter gestaltet werden. Die Studie zeigt, dass 40% Kupferschlacke die Druckfestigkeit von Beton um bis zu 35% erhöht, während für Zementmörtel bis zu 80% Kupferschlacke eine optimale Mischung darstellen. Kupferschlacke verbessert zudem die Dichte des Betons um 5–10%, während die Zugabe von Polypropylenfasern (PPF) die Fließfähigkeit reduziert, aber keine signifikanten Festigkeitsverluste verursacht. Nicht-destruktive Tests wie der Ultraschall-Impulsgeschwindigkeitstest und der Rückprallhammer-Test bestätigten eine ausgezeichnete Betonqualität, während Regressionen zur Vorhersage der Druckfestigkeit präzise Ergebnisse lieferten. Mikrostrukturanalysen zeigten, dass Kupferschlacke durch die Reaktion mit Ca(OH)₂ C-S-H-Gel bildet, was die mechanischen Eigenschaften weiter verbessert.
Chakrawarthi, V.; Dharmar, B.; Avudaiappan, S.; Amran, M.; Flores, E.S.; Alam, M.A.; Fediuk, R.; Vatin, N.I.; Rashid, R.S.M. Destructive and Non-Destructive Testing of the Performance of Copper Slag Fiber-Reinforced Concrete. Materials 2022, 15, 4536.
„Fusion of multi-view ultrasonic data for increased detection performance in non-destructive evaluation“
→ Anwendung: Datenfusion für verschiedene Positionen
Die Untersuchung zeigt, dass die Fusion von Multi-View-Bilddaten aus ultraschallbasierten Prüfungen die Erkennung von Defekten in sicherheitskritischen Bauteilen deutlich verbessert. Im allgemeinen Fall ermöglicht die Fusion die selektive Nutzung der besten Ansichten, wodurch die Arbeitsbelastung für Bediener reduziert wird, während im Grenzfall schwer erkennbare Defekte bei verringerten Fehlalarmen identifiziert werden können. Methoden wie modifizierte Filter und „Best View“-Ansätze kombinieren Daten aus mehreren Ansichten unter Berücksichtigung des Signal-Rausch-Verhältnisses und erzielen so optimale Ergebnisse. Praktische Anwendungen der Fusion umfassen die Sortierung von Prüfdaten nach Defektschwere und die Erweiterung der Nachweisgrenzen für kleinere Defekte. Langfristig könnte die Fusion auch auf andere Prüfmodalitäten ausgeweitet werden, um Inspektionsintervalle zu verlängern oder Designkonservatismus zu reduzieren.
Wilcox Paul D., Croxford Anthony J., Budyn Nicolas, Bevan Rhodri L. T., Zhang Jie, Kashubin Artem and Cawley Peter 2020Fusion of multi-view ultrasonic data for increased detection performance in non-destructive evaluation, Proc. R. Soc. A.47620200086
“Non-Destructive Evaluation of Coating Thickness Using Water Immersion Ultrasonic Testing”
→ Anwendung: Beschichtungsdicke von Schiffen
In dem Artikel wird die Anwendung der Wasserimmersion-Ultraschallprüfung zur zerstörungsfreien Bestimmung der Beschichtungsdicke untersucht. Die Autoren entwickeln ein Modell zur Vorhersage der Ultraschallreflexion an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Substrat, das die akustischen Impedanzen und Dicken der Materialien berücksichtigt. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Methode für Beschichtungen mit Dicken zwischen 0,1 mm und 1,2 mm geeignet ist. Die Studie demonstriert die Wirksamkeit der Wasserimmersion-Ultraschallprüfung als präzise Technik zur Bestimmung der Beschichtungsdicke. Die Ergebnisse bieten eine Grundlage für die Weiterentwicklung zerstörungsfreier Prüfverfahren in der Materialwissenschaft.
Zhang, J.; Cho, Y.; Kim, J.; Malikov, A.K.u.; Kim, Y.H.; Yi, J.-H.; Li, W. Non-Destructive Evaluation of Coating Thickness Using Water Immersion Ultrasonic Testing. Coatings 2021, 11, 1421.
“Nondestructive inspection of fatigue crack propagation beneath supersonic particle deposition coatings during fatigue testing”
→ Anwendung: Angle-beam ultrasonic for supersonic particle deposition (cold spray) (KP)
Diese Studie bewertet die Wirksamkeit zerstörungsfreier Prüfverfahren (NDI) zur Erkennung der Ermüdungsrissausbreitung unter supersonischen Partikelabscheidungs-(SPD)-Beschichtungen in Flugzeugkomponenten. Die Forscher verwendeten thermoelastische Stressanalyse (TSA) und Winkelstrahl-Ultraschallprüfung, um die Integrität der SPD-Beschichtung zu bewerten und das Wachstum darunterliegender Risse zu überwachen. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass TSA Hochspannungsbereiche effektiv identifiziert, während die Ultraschallprüfung eine präzise Risscharakterisierung auch unter der Beschichtung ermöglicht. Die Studie hebt das Potenzial von SPD zur Reparatur von korrosionsgeschädigten Flugzeugstrukturen hervor, betont jedoch die Notwendigkeit rigoroser NDI-Methoden zur Sicherstellung der langfristigen strukturellen Zuverlässigkeit. Zukünftige Forschung zielt darauf ab, NDI-Techniken zur verbesserten Fehlererkennung zu verfeinern und in die routinemäßige Flugzeuginstandhaltung zu integrieren.
Matthew E. Ibrahim, Wyman Z.L. Zhuang, Nondestructive inspection of fatigue crack propagation beneath supersonic particle deposition coatings during fatigue testing, International Journal of Fatigue, Volume 102, 2017, Pages 149-157, ISSN 0142-1123.
“Ultrasonic non-destructive evaluation of composites: A review”
→ Anwendung: Defekte in Verbundwerkstoffen (KP)
Diese Übersicht untersucht den Einsatz ultraschallbasierter zerstörungsfreier Prüfmethoden (NDT) zur Bewertung von Defekten in Verbundwerkstoffen. Die Studie hebt verschiedene Ultraschallverfahren hervor, darunter das Puls-Echo-, Pitch-Catch-, Immersions-, Phased-Array- und Guided-Wave-Verfahren, die jeweils spezifische Vorteile bei der Erkennung von Delaminationen, Hohlräumen und Rissen bieten. Obwohl Ultraschall-NDT aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit und Effizienz weit verbreitet ist, bestehen weiterhin Herausforderungen wie Anisotropie und Signalabschwächung in Verbundwerkstoffen. Die Übersicht behandelt auch neue Technologien wie Laser-Ultraschall und drahtlose Sensornetzwerke, die die Defekterkennung und Strukturüberwachung verbessern. Zukünftige Entwicklungen konzentrieren sich auf die Integration von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz zur Verbesserung der automatisierten Defektanalyse und Echtzeitüberwachung von Verbundmaterialien.
Jitesh Jodhani, Abhay Handa, Anandita Gautam, Ashwni, Ramakant Rana, Ultrasonic non-destructive evaluation of composites: A review, Materials Today: Proceedings, Volume 78, Part 3, 2023, Pages 627-632, ISSN 2214-7853.
“Ultrasonic and Advanced Methods for Nondestructive Testing and Material Characterization”
→ Grundlagen Buch (KP)
Dieses Buch bietet einen umfassenden Überblick über zerstörungsfreie Prüfverfahren (NDT) mit einem starken Fokus auf Ultraschalltechniken und deren Anwendungen in Industrie und Medizin. Es behandelt die Vorteile des Ultraschalls, darunter Flexibilität, Kosteneffizienz und die Möglichkeit, sowohl Signal- als auch Bilddaten für Analysen bereitzustellen. Während sich 11 Kapitel mit Ultraschallmethoden befassen, widmen sich 14 weitere Kapitel fortschrittlichen NDT-Techniken wie Terahertz-Methoden, Röntgenbildgebung, Thermografie und der strukturellen Gesundheitsüberwachung. Darüber hinaus werden verschiedene Sensoren für NDT untersucht, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf Signal- und Bildverarbeitung sowie Mustererkennung zur Fehlerdetektion liegt. Das Buch präsentiert neueste Forschungsergebnisse und Anwendungen und ist damit eine wertvolle Ressource für Fachleute und Wissenschaftler im Bereich der Materialcharakterisierung und der Bewertung der strukturellen Integrität.
Chen, C.H. (2007). Ultrasonic and advanced methods for nondestructive testing and material characterization.
2. Röntgen-Technologien
Die industrielle Röntgenprüfung ist ein ZfP-Verfahren, mit dem das Innere von Prüfteilen auf Fehler und Unregelmäßigkeiten untersucht werden kann. Röntgenstrahlen durchdringen dabei das Prüfobjekt und werden je nach Material und Dichte unterschiedlich stark abgeschwächt. Ein Detektor erfasst die abgeschwächte Strahlung für weiterführende Analysen von Inhomogenitäten, Poren, Einschlüssen sowie Fehlstellen aber auch für dimensionale Messtechnik. Die Technik kann für beinahe alle Materialien angewendet werden.
Wissenschaftliche Veröffentlichungen zu Röntgen-Technologien (ausklappen)
“Big Data Analytics for the Inspection of Battery Materials”
→ Anwendungsbeispiel: Prüfung von Batteriematerialien
Die Analyse von Batteriematerialien hinsichtlich ihrer Mikrostruktur liefert wichtige Erkenntnisse über ihre Leistung in der angestrebten Anwendung, z. B. in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit, Haltbarkeit oder deren Widerstandsfähigkeit gegenüber zerstörenden, exothermen Reaktionen bei Beschädigung. Zu diesem Zweck sind in der Regel hochauflösende Scans mit einem großen Field-of-View erforderlich, was zu einer raschen Steigerung der Datensatzgrößen führt. In dieser Arbeit wird ein Big-Data-Analytics Ansatz vorgestellt, der Segmentierungs- und Quantifizierungstechniken integriert, die mit großen hochauflösenden Daten skalieren, um sogenannte reiche Computertomographiedaten zu erzeugen. Anschließende visualisierungsgestützte Analysen unterstützen die endgültige Entscheidungsfindung. Repräsentative Ergebnisse dieser Methode werden an einer handelsüblichen zylindrischen 18650-Lithium-Ionen-Batteriezelle demonstriert.
Lang, T., Heim, A., & Heinzl, C. (2024). Big Data Analytics for the Inspection of Battery Materials. 13th Conference on Industrial Computed Tomography (iCT) 2023, 6 – 9 February 2024 in School of Engineering, Wels Campus, Austria. e-Journal of Nondestructive Testing Vol. 29(3).
„Optimization of exposure factors for X-ray radiography non-destructive testing of pearl oyster“
→ Anwendungsbeispiel: Überwachung Austernperlen
Der Artikel beschreibt die Optimierung von Belichtungsparametern für digitale Röntgenstrahlradiografie bei der zerstörungsfreien Prüfung von Perlmuscheln. Ziel ist es, qualitativ hochwertige Bilder zu erzeugen, um den Perlkern in der Muschel genau zu erkennen. Die Studie fand heraus, dass die optimalen Einstellungen 60 kV Spannung, 16 mA Stromstärke und eine Belichtungszeit von 0,125 Sekunden sind, was zu einem Kontrast-Rausch-Verhältnis (CNR) von 5,71 führte. Diese Methode verbessert die Bildqualität und ermöglicht eine genauere Analyse im Vergleich zu herkömmlichen Röntgenverfahren. Der Einsatz von digitaler Radiografie bietet zudem die Möglichkeit, Bilder effizienter aufzunehmen, zu speichern und zu analysieren.
Susilo, I Yulianti, A Addawiyah and R Setiawan, Journal of Physics: Conference Series, Volume 983, International Conference on Mathematics, Science and Education 2017 (ICMSE2017) 18–19 September 2017, Semarang, Indonesia, DOI 10.1088/1742-6596/983/1/012004
“Degradation Detection in Rice Products via Shape Variations in XCT Simulation-Empowered AI“
→ Anwendungsbeispiel: Detektion von Degradationen in der Lebensmittelindustrie
In dieser Forschungsarbeit wird der Prozess der Generierung künstlicher Trainingsdaten zur KI-basierten Erkennung und Klassifizierung defekter Bereiche in Röntgen-Computertomographie-Scans (XCT) Lebensmittelindustrie untersucht. Ziel ist es, die minimale Erkennbarkeitsgrenze für Defekte durch Analysen der Entdeckungswahrscheinlichkeit auf der Grundlage von analytischen XCT-Simulationen zu bestimmen. Zu diesem Zweck führt die vorgestellte Methodik zufällige Formvariationen in Oberflächenmodelle ein, die als Deskriptoren für Proben in XCT-Simulationen zur Erzeugung virtueller XCT-Daten verwendet werden. Applikationsbeispiel sind Degradationen oder fehlerhafte Bereiche in Reisprodukten. Dies ist aufgrund der großen biologischen genotypischen und phänotypischen Variationen, von besonderem Interesse.
Yosifov, M., Lang, T., Florian, V. et al. Degradation Detection in Rice Products via Shape Variations in XCT Simulation-Empowered AI. J Nondestruct Eval 44, 10 (2025).
“Neutron- and X-ray radiography/ tomography: non-destructive analytical tools for the characterization of nuclear materials”
→ Anwendungsbeispiel: Überwachung nuklearer Brennstoffe
Der Artikel untersucht den Einsatz von Röntgen- und Neutronenradiographie/Tomographie als nicht-destruktive Analysemethoden innerhalb des nuklearen Brennstoffkreislaufs. Diese Techniken ermöglichen es, die Eigenschaften von Materialien zu prüfen und zu analysieren, ohne ihre Struktur zu zerstören, was besonders in der Nuklearforschung und -produktion von Vorteil ist. Der Autor beschreibt spezifische Anwendungen wie die Analyse von Uranproben, die Qualitätsprüfung von Brennstoffstäben und die Untersuchung von TRISO-Brennstoffpartikeln. Dabei wird betont, wie diese Methoden zur Sicherheit und Effizienz in verschiedenen Phasen des Brennstoffkreislaufs beitragen, von der Uranförderung bis zur sicheren Lagerung von radioaktivem Abfall. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kombination dieser Technologien wertvolle Einblicke in Materialeigenschaften liefert und die Grundlage für weitere Fortschritte in der nuklearen Technik bildet.
de Beer, F.C. (2015). Neutron- and X-ray radiography/ tomography: Non-destructive analytical tools for the characterization of nuclear materials. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 115(10), 913-924.
“A new X-ray backscatter imaging technique for non-destructive testing of aerospace materials”
→ Anwendungsbeispiel: Flugzeugteile (KP)
Der Artikel stellt eine neue Röntgen-Rückstreutechnik für die zerstörungsfreie Prüfung von Luft- und Raumfahrtmaterialien vor, die den Zugang nur von einer Seite erfordert. Die Technik verwendet einen speziellen, gedrehten Schlitzkollimator und eine digitale Detektorarray-Kamera, um interne Materialstrukturen sichtbar zu machen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass komplexe Strukturen, geringe Dichteunterschiede und Materialdickenvariationen mit hoher Präzision in kurzer Zeit (drei Minuten) detektiert werden können. Im Vergleich zu bestehenden Techniken ermöglicht die Methode eine verbesserte Bildqualität durch reduzierte elektronische und photonische Rauschsignale. Zukünftige Entwicklungen umfassen den Einsatz von Photonenzähl-Detektoren und Mehrfach-Schlitzkollimatoren zur weiteren Verbesserung der Bildqualität und Messzeit.
J. Kastner, C. Heinzl, X‑ray Computed Tomography, In Book: Handbook of Advanced Non‑Destructive Evaluation, ch. 31, ed. N. Ida, N. Meyendorf, Springer, 2019, pp. 1095–1166 doi:10.1007/978‑3‑319‑30050‑4_5‑1
“Processing, Analysis and Visualization of CT Data”
→ Datenanalysen und deren Anwendungen (KP)
Dieses Buchkapitel beleuchtet die Vorteile der Computertomographie (CT) zur zerstörungsfreien Untersuchung komplexer Systeme und Materialien. Im Vergleich zu anderen Prüfverfahren liefert die CT schnelle und detaillierte Einblicke in äußere und innere Strukturen, ohne das Prüfobjekt zu beeinträchtigen. Die Entwicklung fortschrittlicher Datenverarbeitungs-, Analyse- und Visualisierungstechniken war entscheidend für die Erweiterung der CT-Anwendung für industrielle Anwendungen. Diese Methoden ermöglichen eine klare Darstellung hochkomplexer Probleme und machen detaillierte Analysen leichter verständlich. Des weiteren werden verschiedene Aspekte der CT-Datenanalyse, einschließlich Messtechnik, zerstörungsfreier Prüfung und spezialisierter Auswertungsmethoden vorgestellt.
Heinzl, C., Amirkhanov, A., Kastner, J. (2018). Processing, Analysis and Visualization of CT Data. In: Carmignato, S., Dewulf, W., Leach, R. (eds) Industrial X-Ray Computed Tomography. Springer, Cham.
3. Optische Verfahren
Diese Verfahren gliedern sich in aktive optische Verfahren und klassische bildgebende/kamera-basierte Verfahren.
Aktive optische Sensoren verfügen über einen Sender, der elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder unsichtbaren Bereich (Ultraviolett, Infrarot) aussendet. Ein Detektor registriert dann die rückgestreute bzw. vom Prüfling abgegebene Strahlung. Nach mathematischer Verarbeitung dieser Signale stehen die gewünschten Bild- oder Messparameter zur Verfügung. Beispiele für Technologien und deren Anwendungsfelder sind die Infrarot- und Raman-Spektroskopie für Inline-Prozesskontrolle und Qualitätssicherung (z. B. für die Analyse chemischer Verbindungen), Terahertz-Technologie für zerstörungsfreie Materialcharakterisierung (Bildgebung und Spektroskopie) von nicht leitfähigen Materialien, Optische Kohärenztomographie (OCT) für zerstörungsfreie Prüfung innerer Strukturen von Kunststoffen, Keramik etc. sowie die aktive Thermographie.
Klassische bildgebende/kamerabasierte Verfahren arbeiten in verschiedenen Wellenlängenbereichen.
Eine spezielle Stellung nehmen Verfahren ein, bei denen durch Projektion eines definierten Musters und anschließende Bilderfassung eine besonders gezielte Vermessung von Oberflächeneigenschaften ermöglicht wird.
Wissenschaftliche Veröffentlichungen zu optischen Verfahren (ausklappen)
“Vision based process monitoring in Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)”
→ Anwendungsbeispiel (F&E):
Die Arbeit stellt ein kamerabasiertes Überwachungssystem zur Verbesserung der Stabilität und Qualität im Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) vor. Es verwendet maschinelle Lernalgorithmen, um in Echtzeit den Abstand zwischen Düse und Werkstück sowie die Position des Drahts zu überwachen und so Herausforderungen wie Abweichungen der Schweißraupe und Defekte zu bewältigen. Das System ermöglicht eine geschlossene Regelung, die den Schweißprozess dynamisch anpasst, um die geometrische Genauigkeit zu verbessern und Defekte zu reduzieren. Die experimentellen Ergebnisse zeigen erhebliche Qualitätsverbesserungen, insbesondere bei komplexen Geometrien, sowie die Fähigkeit, Drahtverschleiß zu erkennen. Dieser Ansatz bringt WAAM der automatisierten, fehlerfreien Fertigung mit höherer Präzision näher.
Franke, J., Heinrich, F. & Reisch, R.T. Vision based process monitoring in wire arc additive manufacturing (WAAM). J Intell Manuf (2024).
“Machine vision-based non-destructive dissolution prediction of meloxicam-containing tablets”
→ Anwendungsbeispiel (F&E):
Diese Studie untersucht eine zerstörungsfreie Methode zur Vorhersage des Auflösungsverhaltens von Meloxicam-haltigen Tabletten mittels maschinellem Sehen und UV/VIS-Bildgebung. Die Autoren entwickelten ein System, das künstliche neuronale Netze (ANN) einsetzt, um kritische Prozessparameter wie Presskraft, Partikelgröße und Wirkstoffgehalt (API) auf Basis von Tabletten-Bildern zu analysieren. Durch die Vorhersage der Auflösungsprofile anhand dieser Bilddaten erreicht die Methode einen Vorhersagefehler von weniger als 5 % bei den Auflösungspunkten. Außerdem sagt das maschinelle Sehsystem in Kombination mit partiellen kleinsten Quadraten (PLS-Modelle) den API-Gehalt mit einem relativen Fehler von unter 10 % voraus. Dieser Ansatz bietet eine Echtzeit- und effiziente Lösung für die Qualitätskontrolle in der pharmazeutischen Produktion und steht im Einklang mit den Prinzipien der Prozessanalytik und dem „Quality-by-Design“-Ansatz.
Lilla Alexandra Mészáros, Lajos Madarász, Szabina Kádár, Máté Ficzere, Attila Farkas, Zsombor Kristóf Nagy, Machine vision-based non-destructive dissolution prediction of meloxicam-containing tablets, International Journal of Pharmaceutics, Volume 655, 2024, 124013, ISSN 0378-5173
“A Review of Optical NDT Technologies”
→ Grundlagen + Übersicht von Methoden:
Diese Arbeit gibt einen Überblick über Fortschritte in der optischen zerstörungsfreien Prüftechnologie (NDT), einschließlich Faseroptik, Speckle-Interferometrie, Infrarot-Thermografie, Endoskopie und Terahertz-(THz)-Technologie. Jede Methode bietet spezifische Vorteile: Faseroptik ist ideal für raue Umgebungen, Speckle-Interferometrie ermöglicht hochpräzise Oberflächendefektanalysen, Infrarot-Thermografie liefert Echtzeitbilder, und THz-Technologie durchdringt nichtmetallische Materialien, um interne Defekte aufzudecken. Anwendungen finden sich in verschiedenen Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Bauingenieurwesen und medizinischer Diagnostik. Die Arbeit hebt das Potenzial hervor, diese Methoden mit fortschrittlichen Rechentechniken zu integrieren, um effizientere und umfassendere Bewertungen zu ermöglichen. Zukünftige Entwicklungen zielen auf die Verbesserung der Tragbarkeit, Kostensenkung und die Entwicklung standardisierter Verfahren für eine breitere industrielle Anwendung ab.
Zhu, Y.-K.; Tian, G.-Y.; Lu, R.-S.; Zhang, H. A Review of Optical NDT Technologies. Sensors 2011, 11, 7773-7798.
“Optical techniques in non-destructive detection of wheat quality: A review”
→ Anwendung (Getreidequalität) + Übersicht:
Diese Arbeit gibt einen Überblick über verschiedene optische zerstörungsfreie Prüfverfahren (NDT) zur Qualitätsbewertung von Weizen, darunter Technologien wie Nahinfrarotspektroskopie (NIRS), hyperspektrale Bildgebung, Terahertz-Technologie (THz) und Mikro-CT-Bildgebung. Die Prinzipien, Anwendungen und Einschränkungen jeder Methode werden analysiert, wobei die THz-Technologie als vielversprechendste hervorsticht, da sie mehrere Qualitätsindikatoren und Arten von Verschlechterungen erkennen kann. Der Bericht betont die Notwendigkeit, mehrere Technologien zu integrieren, um Genauigkeit und Effizienz bei der Qualitätsbewertung von Weizen zu verbessern. Die Autoren plädieren für die Erstellung standardisierter optischer Datenbanken und die Entwicklung kostengünstiger, tragbarer Geräte, um eine großflächige industrielle Anwendung zu ermöglichen. Zukünftige Perspektiven konzentrieren sich auf die Reduzierung von Umwelteinflüssen, die Optimierung von Datenanalysemethoden und die Kombination von Technologien für eine umfassende Qualitätsbewertung.
Lei Li, Si Chen, Miaolei Deng, Zhendong Gao, Optical techniques in non-destructive detection of wheat quality: A review, Grain & Oil Science and Technology, Volume 5, Issue 1, 2022, Pages 44-57, ISSN 2590-2598
“Multimodal Non-Destructive In Situ Observation of Crystallinity Changes in High-Density Polyethylene Samples with Relation to Optical Parameters during Tensile Deformation”
→ Anwendung:
Diese Studie stellt einen multimodalen, zerstörungsfreien Prüfansatz zur Beobachtung von Kristallinitätsänderungen in hochdichtem Polyethylen (HDPE) während der Zugverformung vor. Das experimentelle Setup kombiniert Terahertz-(THz)-Spektroskopie, optische Kohärenztomographie (OCT), Infrarot- (IR) und Raman-Spektroskopie, um Kristallinitätsveränderungen mit optischen Parametern wie Brechungsindex, Doppelbrechung und Streukoeffizient zu korrelieren. Die Ergebnisse zeigen, dass verschiedene optische Methoden komplementäre Erkenntnisse liefern und eine umfassende Analyse spannungsinduzierter Strukturveränderungen in Polymeren ermöglichen. Die Studie hebt potenzielle Anwendungen in der Qualitätskontrolle von Polymeren, der Echtzeitüberwachung von Herstellungsprozessen und der Materialprüfung hervor. Zukünftige Verbesserungen konzentrieren sich auf die Optimierung des Setups für erweiterte Anwendungen, einschließlich der Analyse von Faserverbundplatten und Spannungsverteilungen.
Felbermayer, K.; van Frank, S.; Heise, B.; Brandstetter, M.; Rankl, C.; Ladner, H.; Burgholzer, P. Multimodal Non-Destructive In Situ Observation of Crystallinity Changes in High-Density Polyethylene Samples with Relation to Optical Parameters during Tensile Deformation. Sensors 2024, 24, 6367.
„Phase-contrast THz-CT for non-destructive testing“
→ Forschung und Entwicklung:
In dieser Publikation wird ein neuer Ansatz für die Bildrekonstruktion in der THz-Computertomographie (THz-CT) vorgestellt. Auf der Grundlage eines geometrischen Optikmodells, das die THz-Signalamplitude und -phase enthält, wird ein neuartiger Algorithmus zur Extraktion einer durchschnittlichen Phase aus den gemessenen THz-Signalen abgeleitet. Die Anwendung des Algorithmus führt zu einem Phasenkontrast-Sinogramm, das für die Bildrekonstruktion verwendet wird. Zur experimentellen Validierung wird ein schnelles THz-Zeitbereichsspektrometer (THz-TDS) in Transmissionsgeometrie eingesetzt, das CT-Messungen innerhalb weniger Minuten ermöglicht. Die quantitative Auswertung der rekonstruierten 3D-gedruckten Kunststoffprofile zeigt das Potenzial unseres Ansatzes für die zerstörungsfreie Prüfung von Kunststoffprofilen.
Fosodeder, P., Hubmer, S., Ploier, A., Ramlau, R., van Frank, S., & Rankl, C. (2021). Phase-contrast THz-CT for non-destructive testing. Optics Express, 29(10), 15711.
„Highly accurate THz-CT including refraction effects”
→ Forschung und Entwicklung:
In dieser Folgepublikation werden die Prinzipien der algebraischen Bildrekonstruktion auf die THz-Computertomographie (THz-CT) angewendet, um die Brechung innerhalb der Probe zu berücksichtigen. Unter Verwendung der nominalen Probengeometrie als A-priori-Wissen wird ein hochpräziser und robuster Bildrekonstruktionsalgorithmus auf der Grundlage der Physik der geometrischen Optik vorgestellt. Die Gültigkeit des geometrischen Vorwärtsmodells wird durch eine numerische Simulation der Maxwellschen Gleichungen verifiziert. Darüber hinaus wird die entwickelte Methode anhand von Messungen mit einem schnellen THz-CT-System, das auf einem THz-Zeitbereichsspektrometer im Transmissionsmodus basiert, experimentell getestet. Automatisierte Auswertungen der rekonstruierten Probenquerschnitte zeigten eine Genauigkeit von <150 µm.
Fosodeder, P., van Frank, S., & Rankl, C. (2022). Highly accurate THz-CT including refraction effects. Optics Express, 30(3), 3684.
„Fast Terahertz reflection imaging for in-line detection of delaminations in glass-fiber reinforced polymers”
→ Anwendung:
Terahertz (THz) ist eine aufstrebende Technologie, die sich besonders gut für die zerstörungsfreie Untersuchung der inneren Strukturen von Polymeren eignet. Um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, sind THz-Bildgebungssysteme, die an die industriellen Gegebenheiten angepasst sind, sowie weitere Anwendungsstudien in Bereichen von Interesse erforderlich. In dieser Arbeit stellen wir ein schnelles und flexibles THz-Bildgebungssystem vor, das aus Hard- und Software besteht, und demonstrieren seine Fähigkeiten für die Untersuchung von Defekten in glasfaserverstärkten Polymeren (GFK), insbesondere für die Erkennung von bohrinduzierten Delaminationen. Messdaten, die durch Rasterabtastung von GFK-Proben gewonnen werden, werden in volumetrischen 3D-Bildern erfasst. THz-Bilder der gebohrten Löcher werden dann mit Referenzbildern der gleichen Löcher verglichen, die aus Röntgen-Computertomographie-Messungen stammen. Wir zeigen, dass die THz-Bildgebung nicht nur in der Lage ist, künstliche Defekte in Form von Aluminium- und Tefloneinlagen zu identifizieren, sondern auch echte Defekte wie Delaminationen, die durch Bohrvorgänge entstehen, und dass sie für die zerstörungsfreie Prüfung unter industriellen Bedingungen geeignet ist.
Fosodeder, P., Pfleger, M., Rahman, K., Dutton, T., Cozien-Cazuc, S., van Frank, S., & Rankl, C. (2024). Fast Terahertz reflection imaging for in-line detection of delaminations in glass-fiber reinforced polymers. Research article currently under review at https://www.mdpi.com/journal/sensors
„Industrial applications of terahertz sensing: State of play.”
→ Überblick:
Diese Arbeit gibt einen Überblick über die industriellen Anwendungen der Terahertz-(THz)-Sensortechnologie und betont ihre wachsende Bedeutung in der zerstörungsfreien Prüfung und Zustandsüberwachung. Es werden THz-Anwendungen in verschiedenen Branchen behandelt, darunter Polymere, Beschichtungen, Pharmazeutika, Elektronik, Petrochemikalien, Gassensorik sowie die Papier- und Holzindustrie. Die zeitbereichsspektroskopische (TDS) Methode bleibt die dominierende THz-Technik und ermöglicht eine hochauflösende Materialcharakterisierung durch Messung von Transmissionsverlusten und Phasenverzögerungen. Die Studie hebt die Vorteile von THz gegenüber traditionellen Methoden hervor, insbesondere die Fähigkeit, nichtleitende Materialien zu durchdringen und detaillierte strukturelle Einblicke ohne Beschädigung der Proben zu liefern. Zukünftige Forschungen konzentrieren sich auf die Verbesserung der THz-Instrumentierung, die Weiterentwicklung der Signalverarbeitungstechniken und die Erweiterung der industriellen Nutzung.
Naftaly, M., Vieweg, N., & Deninger, A. (2019). Industrial applications of terahertz sensing: State of play. In Sensors (Switzerland) (Vol. 19, Issue 19). MDPI AG.
4. Magnetische / elektromagnetische Verfahren
Bei der elektromagnetischen Prüfung wird ein elektrischer Strom bzw. ein Magnetfeld durch ein elektrisch leitendes Teil geleitet. Es gibt drei Arten der elektromagnetischen Prüfung: Wirbelstromprüfung, Wechselstromfeldmessung und Fernfeldprüfung. Es werden Magnetfelder erzeugt, diese werden durch innere Fehlstellen in den zu prüfenden Teilen oder auch abhängig von Parametern wie Schichtdicken beeinflusst. Diese Rückwirkungen können detektiert und zur Messung verwendet werden.
Wissenschaftliche Veröffentlichungen zu (elektro)magnetischen Verfahren (ausklappen)
“The Non-Destructive Test of Steel Corrosion in Reinforced Concrete Bridges Using a Micro-Magnetic Sensor”
→ Anwendung: Prüfung von Stahlkorrosion in Stahlbetonbrücken
Diese Arbeit stellt eine zerstörungsfreie Prüfmethode (NDT) vor, die einen Mikromagnet-Sensor zur Erkennung von Stahlkorrosion in Stahlbetonbrücken nutzt. Die Technik basiert auf der Analyse von Selbst-Magnetflussleckagen (SMFL), die durch korrodierten Stahl in natürlichen Magnetfeldern erzeugt werden, wodurch externe Erregungsquellen überflüssig werden. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen, dass die SMFL-Signale Korrosionsstellen und -schwere präzise identifizieren können, wobei Schnittpunkte in den Magnetfeldkurven den Grenzen der Korrosionsbereiche entsprechen. Diese Methode bietet eine kostengünstige, effiziente und einfache Alternative zu herkömmlichen Techniken wie Ultraschall- oder elektrochemischen Tests. Die Studie hebt das Potenzial dieser Technik für den breiten Einsatz in der Überwachung und Wartung von Infrastrukturen hervor.
Zhang, H.; Liao, L.; Zhao, R.; Zhou, J.; Yang, M.; Xia, R. The Non-Destructive Test of Steel Corrosion in Reinforced Concrete Bridges Using a Micro-Magnetic Sensor. Sensors 2016, 16, 1439.
“A Review of Magnetic Flux Leakage Nondestructive Testing”
→ Grundlagen: magnetic flux leakage (MFL)
Diese Übersicht beleuchtet die Prinzipien, Fortschritte und Anwendungen der magnetischen Streuflussprüfung (MFL) als Methode der zerstörungsfreien Prüfung (NDT) für ferromagnetische Materialien. MFL ist effektiv bei der Erkennung von Oberflächen- und Untergrunddefekten wie Rissen, Korrosion und Hohlräumen, indem Störungen im Magnetfeld gemessen werden, die durch diese Anomalien verursacht werden. Zu den Hauptthemen gehören der Einfluss von Parametern wie Defektausrichtung, Magnetisierungsstärke und Prüfgeschwindigkeit auf die MFL-Signale sowie Innovationen bei Anregungs- und Sensortechniken. Die Studie unterstreicht die Vielseitigkeit von MFL in Branchen wie Energie, Petrochemie und Transport, weist jedoch auf Herausforderungen wie Geschwindigkeitseffekte und Oberflächenrauheit hin. Zukünftige Perspektiven umfassen die Integration künstlicher Intelligenz zur Defektquantifizierung und die Weiterentwicklung von MFL-Systemen für schnelle und präzise Inspektionen.
Feng, B.; Wu, J.; Tu, H.; Tang, J.; Kang, Y. A Review of Magnetic Flux Leakage Nondestructive Testing. Materials 2022, 15, 7362.
“Non-destructive testing methods commonly used in aviation”
→ Methodensammlung:
Diese Arbeit gibt einen Überblick über gängige zerstörungsfreie Prüfmethoden (NDT), die in der Luftfahrt zur Gewährleistung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Flugzeugen eingesetzt werden. Es werden zentrale Techniken wie Ultraschallprüfung, Wirbelstromprüfung, radiografische Inspektion, magnetische Partikelprüfung und Eindringprüfung vorgestellt, einschließlich ihrer Prinzipien, Anwendungen und Einschränkungen. NDT-Methoden sind entscheidend für die frühzeitige Erkennung von Defekten, eine kosteneffiziente Wartung und die Sicherstellung der strukturellen Integrität kritischer Flugzeugkomponenten, ohne Schäden zu verursachen. Die Arbeit betont die Bedeutung der Kombination verschiedener NDT-Methoden, um umfassende Bewertungen durchzuführen und die Flugtauglichkeit zu erhalten. Sie schließt mit der Feststellung, dass ein mehrgleisiger Ansatz die Betriebssicherheit erhöht und fundierte Entscheidungen bei der Wartung und Reparatur von Flugzeugen unterstützt.
Ulus, Ö., Davarcı, F. . E., & Gültekin, E. E. (2024). Non-destructive testing methods commonly used in aviation. International Journal of Aeronautics and Astronautics, 5(1), 10-22.
“A Non-Destructive Electromagnetic Sensing Technique to Determine Chloride Level in Maritime Concrete”
→ Anwendung: Chloridgehalt in maritimem Beton
Diese Studie stellt eine neuartige zerstörungsfreie elektromagnetische Sensortechnologie vor, um Chloridgehalte in maritimem Beton zu messen und Korrosion der Bewehrung zu verhindern. Betonproben mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen wurden mit einem speziell entwickelten Sensorsystem getestet, das in einem Frequenzbereich von 2-12 GHz arbeitet. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die vorgeschlagene Methode den Chloridgehalt mit einem minimalen Fehler von 0,034 % genau vorhersagen konnte, wobei eine starke Korrelation (R² = 0,986709) zu herkömmlichen Chlorometer-Messungen festgestellt wurde. Die Studie betont das Potenzial der Technik für Echtzeitüberwachung sowie ihre Vorteile gegenüber zerstörenden Methoden, darunter Portabilität und Eignung für großflächige Anwendungen. Zukünftige Arbeiten umfassen die Erweiterung der Validierungsdatensätze und die Anpassung der Methode für den Einsatz in maritimen Umgebungen.
Omer, Goran Dr; Kot, Patryk Dr; Atherton, William Dr; Muradov, Magomed Dr; Gkantou, Michaela Dr; Shaw, Andy Prof; Riley, Michael Prof; Hashim, Khalid Dr.; and Al-Shamma’a, Ahmed (2021) „A Non-Destructive Electromagnetic Sensing Technique to Determine Chloride Level in Maritime Concrete,“ Karbala International Journal of Modern Science: Vol. 7 : Iss. 1 , Article 8.
“Electromagnetic Properties of Steel Fibres for Use in Cementitious Composites, Fibre Detection and Non-Destructive Testing”
→ Anwendung: Eigenschaften von Stahlfasern in zementhaltigen Verbundwerkstoffen
Diese Studie untersucht die Nutzung elektromagnetischer Eigenschaften von Stahlfasern für die zerstörungsfreie Prüfung (NDT) in zementgebundenen Verbundwerkstoffen. Eine neuartige Methode, die auf der Messung des Gütefaktors einer Spule basiert, wird vorgeschlagen, um das Faservolumen und die Orientierung in Beton zu erkennen. Die Ergebnisse zeigen eine starke Korrelation zwischen der Faserausrichtung, dem Gütefaktor und mechanischen Eigenschaften wie der Biegefestigkeit, was diesen Ansatz effektiv für die Qualitätskontrolle in der Produktion macht. Simulationen von Magnetfeldern und experimentelle Validierungen bestätigen die Empfindlichkeit dieser Methode gegenüber der Faserverteilung und bieten Vorteile gegenüber traditionellen zerstörenden Prüfverfahren. Die Autoren schlagen vor, diese Technik für großformatige Bauelemente, insbesondere in der Fertigteilindustrie, zu skalieren.
Künzel, K.; Papež, V.; Carrera, K.; Konrád, P.; Mára, M.; Kheml, P.; Sovják, R. Electromagnetic Properties of Steel Fibres for Use in Cementitious Composites, Fibre Detection and Non-Destructive Testing. Materials 2021, 14, 2131.
“Physic perspective fusion of electromagnetic acoustic transducer and pulsed eddy current testing in non-destructive testing system”
→ Forschung und Trends und Methoden:
Diese Studie schlägt eine neuartige Methode der zerstörungsfreien Prüfung (NDT) vor, die elektromagnetische akustische Wandler (EMAT) und gepulste Wirbelstromprüfung (PECT) kombiniert, um sowohl Oberflächen- als auch innere Defekte zu erkennen. Die Fusion der Sensortechnologie ermöglicht die gleichzeitige Erzeugung und Detektion von Ultraschallwellen und Wirbelströmen, wodurch der Prüfumfang und die Zuverlässigkeit verbessert werden. Simulationen und experimentelle Studien bestätigten die Wirksamkeit der Methode bei ferromagnetischen und nicht-ferromagnetischen Materialien, wobei Oberflächenrisse von nur 1 mm Breite und Wandstärkenreduzierungen von 2 mm erkannt wurden. Tests an geschweißten Rohrleitungen zeigten die Fähigkeit zur Überwachung der Wanddicke, jedoch traten bei Schweißnähten aufgrund von Oberflächenunregelmäßigkeiten Herausforderungen auf. Zukünftige Forschungen konzentrieren sich auf die Verbesserung des Systems für komplexe Geometrien und die Integration flexibler Sensorarrays.
Guo Wei, Gao Bin, Yun Tian Gui and Si Dan 2020 Physic perspective fusion of electromagnetic acoustic transducer and pulsed eddy current testing in non-destructive testing system Phil. Trans. R. Soc. A.37820190608
“New Technologies in Electromagnetic Non-destructive Testing”
→ Buch Grundlagen + Trends (KP):
Dieses Buch stellt neueste Entwicklungen im Bereich der elektromagnetischen zerstörungsfreien Prüfung und Bewertung (NDT/E) vor und behandelt sowohl theoretische Forschungen als auch ingenieurtechnische Anwendungen. Es untersucht verschiedene Techniken, darunter elektromagnetische Ultraschall-Geführte-Wellen-Prüfung, gepulste und Fernfeld-Wirbelstromprüfung, niederfrequente Wirbelstromprüfung, Metallmagnetische Gedächtnisprüfung und Magnetstreuflussprüfung. Angesichts der zunehmenden Bedeutung der Sicherheit und Wartung kritischer Strukturen in Industrie und Alltag sind diese Methoden für Fachleute im NDT/E-Bereich besonders relevant. Das Buch dient als wertvolle Referenz für Studierende, NDT-Techniker und Fachkräfte, die sich weiterqualifizieren oder spezialisieren möchten. Es bietet sowohl grundlegendes Wissen als auch praxisnahe Einblicke und ist eine nützliche Ressource für die Hochschulbildung und industrielle Anwendungen.
S. Huang, S. Wang, New Technologies in Electromagnetic Non-destructive Testing, Springer Singapore, Singapore, 2016.
“Evaluation of chloride contamination in concrete using electromagnetic non-destructive testing methods”
→ Anwendung: Erkennung von Chlorid Verunreinigung in Beton (KP)
Diese Studie untersucht die Anwendung elektromagnetischer zerstörungsfreier Prüfmethoden (NDT) zur Bewertung der Chloridkontamination in Betonbauwerken. Die Forschung vergleicht Resistivitäts-, Kapazitäts- und Radartechniken zur Messung von Chloridgehalt, Wassersättigung und Porosität in verschiedenen Betonmischungen. Laborexperimente mit kontrollierten Chloridkonzentrationen bestätigten, dass diese NDT-Methoden hochsensitiv auf Chloridgehalt und Sättigungsraten reagieren und somit wertvolle Werkzeuge für die Beurteilung der Dauerhaftigkeit von Bauwerken sind. Ein multivariates Regressionsmodell wurde entwickelt, um Chloridwerte basierend auf NDT-Messungen zu schätzen, und Feldtests in einer Meeresumgebung validierten diesen Ansatz. Zukünftige Arbeiten konzentrieren sich auf die Verfeinerung dieser Techniken und die Verbesserung ihrer Genauigkeit für reale Anwendungen in der Bauwerksüberwachung.
Xavier Dérobert, J.F. Lataste, J.-P. Balayssac, S. Laurens, Evaluation of chloride contamination in concrete using electromagnetic non-destructive testing methods, NDT & E International, Volume 89, 2017, Pages 19-29, ISSN 0963-8695
“Magnetic non-destructive testing method for thin-plate aluminum alloys”
→ Anwendung: Überprüfung von dünnschichtigen Aluminiumlegierungen (KP)
Diese Studie stellt eine neuartige magnetische zerstörungsfreie Prüfmethode (NDT) für dünne Aluminiumlegierungsplatten vor, die das Erdmagnetfeld nutzt. Ein hochpräziser Magnetsensor erfasst geringfügige Veränderungen im Magnetfeld, die durch künstliche und natürliche Defekte in Aluminiumlegierung 2024 verursacht werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Methode Defekte genau identifiziert, indem Anomalien in der Magnetfeldstärke analysiert werden, was durch metallografische Tests bestätigt wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ultraschall- und Röntgenmethoden, die bei der Erkennung kleiner oder interner Defekte Einschränkungen haben, bietet dieser Ansatz eine zuverlässige Alternative für dünne Aluminiumstrukturen. Zukünftige Forschungen konzentrieren sich auf die Verfeinerung der Detektion schwacher Magnetfeldsignale und die Entwicklung quantitativer Bewertungsmethoden für Defekte.
Bo Hu, Runqiao Yu, Hengcai Zou, Magnetic non-destructive testing method for thin-plate aluminum alloys, NDT & E International, Volume 47, 2012, Pages 66-69, ISSN 0963-8695
“Overview of Researches on the Nondestructive Testing Method of Metal Magnetic Memory: Status and Challenges”
→ Grundlagen + Trends: metal magnetic memory (MMM) (KP)
Diese Arbeit bietet einen umfassenden Überblick über die Methode des Metall-Magnetfeldgedächtnisses (MMM) zur zerstörungsfreien Prüfung (NDT) ferromagnetischer Materialien und fasst über 20 Jahre Forschung zusammen. Die MMM-Methode erkennt Spannungsbereiche und frühe Schäden in Strukturen, indem sie Selbstmagnetisierungssignale analysiert, die durch mechanische Spannungen und das Erdmagnetfeld beeinflusst werden. Die Studie behandelt experimentelle Beobachtungen, theoretische Modelle, Simulationen und praktische Anwendungen und hebt das Potenzial von MMM zur Früherkennung von Schäden in der Luft- und Raumfahrt, Pipelines und mechanischen Strukturen hervor. Trotz bedeutender Fortschritte bestehen weiterhin Herausforderungen wie komplexe Einflussfaktoren und begrenzte quantitative Forschung, weshalb eine Weiterentwicklung der magnetischen Domänenanalyse und verbesserte Modellierung erforderlich sind. Zukünftige Forschung zielt darauf ab, MMM mit anderen NDT-Methoden zu kombinieren, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit für industrielle Anwendungen zu erhöhen.
Shi, P., Su, S. & Chen, Z. Overview of Researches on the Nondestructive Testing Method of Metal Magnetic Memory: Status and Challenges. J Nondestruct Eval 39, 43 (2020).
5. Chemische Analytik
Die chemische Analytik im Rahmen der zerstörungsfreien Prüfung nutzt Methoden wie Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF) und Infrarot (IR)-Spektroskopie oder Raman-Spektroskopie, um die chemische Zusammensetzung von Materialien zu bestimmen, ohne sie dabei zu verändern. Das bedeutet auch, dass eben keine Probenvorbereitung (wie für labor-chemische Methoden) notwendig ist. Bei der XRF wird das Material mit Röntgenstrahlen bestrahlt, wodurch charakteristische Sekundärstrahlen emittiert werden, die Aufschluss über die Elementzusammensetzung geben. Die IR-Spektroskopie misst die Absorption von Infrarotlicht, das Molekülvibrationen anregt, und ermöglicht so die Identifikation von chemischen Bindungen und Stoffen im Material. Diese Techniken ermöglichen präzise Analysen, sowohl qualitativ (welche Stoffe sind enthalten?) als auch quantitativ (in welchen Mengen?). Die Anwendungsfelder sind vielfältig darunter Medizin (z.B. Bluttests), Umweltwissenschaft (z.B. Wasserqualität) und natürlich chemische Industrie, Lebensmittelindustrie, pharmazeutische Industrie.
Wissenschaftliche Veröffentlichungen zu chemischer Analytik (ausklappen)
“Non-destructive chemical analysis of water and chlorine content in cement paste using near-infrared spectroscopy”
→ Anwendung: Analyse von Wasser- und Chlorgehalt von Zement
Diese Studie untersucht den Einsatz von Nahinfrarotspektroskopie (NIR) zur zerstörungsfreien Analyse von Wasser- und Chloridionengehalt in Zementpaste. Die Methode ermöglicht die gleichzeitige Bewertung mehrerer Komponenten, einschließlich Feuchtigkeit, Friedel-Salz, Portlandit und Ettringit, anhand spezifischer Absorptionsspitzen im NIR-Spektrum. Die Ergebnisse zeigten starke Korrelationen zwischen NIR-Absorptionsintensitäten und gemessenen Wasser- und Chloridionenkonzentrationen, insbesondere bei gewöhnlichem Portlandzement. Der Ansatz bietet eine schnelle und zuverlässige Inspektion innerhalb einer Minute und stellt eine Alternative zu herkömmlichen zerstörenden Methoden zur Früherkennung von chloridinduzierter Schädigung in Beton dar. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Trennung von Absorptionsspitzen zur Verbesserung der Genauigkeit und die Anwendbarkeit auf verschiedene Betonzuschläge konzentrieren.
A. Watanabe, H. Furukawa, S. Miyamoto, H. Minagawa, Non-destructive chemical analysis of water and chlorine content in cement paste using near-infrared spectroscopy, Construction and Building Materials, Volume 196, 2019, Pages 95-104, ISSN 0950-0618
“Nondestructive Testing of Pear Based on Fourier Near-Infrared Spectroscopy”
→ Anwendung: Qualität von Birnen:
Diese Studie untersucht den Einsatz der Fourier-Transform-Nahinfrarotspektroskopie (FT-NIR) zur zerstörungsfreien Prüfung von Birnen, mit Fokus auf den Gehalt an löslichen Feststoffen (SSC) und titrierbarer Säure (TA). Mithilfe der Partial-Least-Squares-Regressionsmethode (PLS) wurden Vorhersagemodelle für zwei Birnensorten, ‚Zaosu‘ und ‚Dangshansuli‘, entwickelt, wobei ‚Dangshansuli‘ eine bessere Vorhersagegenauigkeit zeigte. Die Clusteranalyse bestätigte zudem die Wirksamkeit der FT-NIR-Spektroskopie zur Unterscheidung der beiden Sorten mit einer Diskriminierungsgenauigkeit von 100 %. Die Methode wird als ein schnelles, zuverlässiges und zerstörungsfreies Werkzeug zur Bewertung der inneren Fruchtqualität hervorgehoben und bietet erhebliche Vorteile für die Landwirtschaft. Zukünftige Forschungen zielen darauf ab, die Modellgenauigkeit zu verbessern und die Anwendung auf andere Obstsorten auszudehnen.
Lu, Z.; Lu, R.; Chen, Y.; Fu, K.; Song, J.; Xie, L.; Zhai, R.; Wang, Z.; Yang, C.; Xu, L. Nondestructive Testing of Pear Based on Fourier Near-Infrared Spectroscopy. Foods 2022, 11, 1076.
“A Review of Non-Destructive Raman Spectroscopy and Chemometric Techniques in the Analysis of Cultural Heritage”
→ Anwendung: Kulturforschung / Kulturelles Erbe
Diese Arbeit gibt einen Überblick über die Anwendung der zerstörungsfreien Raman-Spektroskopie in Kombination mit chemometrischen Techniken zur Analyse von Kulturgutmaterialien. Die Raman-Spektroskopie bietet Einblicke auf Molekülebene in die Zusammensetzung von Pigmenten, Bindemitteln und Abbauprodukten, während chemometrische Methoden wie PCA und PLS die Dateninterpretation verbessern. Diese Methoden ermöglichen eine präzise, nicht-invasive Analyse empfindlicher Artefakte wie Gemälde, Textilien und historische Dokumente, selbst unter schwierigen Bedingungen wie überlappenden Spektren. Tragbare und mikro-Raman-Systeme haben die Anwendungen im Feld erweitert und bieten schnelle und zuverlässige Beurteilungen für die Konservierung. Die Studie betont die Bedeutung der Integration ergänzender analytischer Methoden, um bestehende Einschränkungen zu überwinden und die Erhaltung von Kulturgütern zu verbessern.
Yogurtcu, B.; Cebi, N.; Koçer, A.T.; Erarslan, A. A Review of Non-Destructive Raman Spectroscopy and Chemometric Techniques in the Analysis of Cultural Heritage. Molecules 2024, 29, 5324.
“Non-Contact, Non-Destructive Testing in Various Industrial Sectors with Terahertz Technology”
→ Grundlagen und Anwendungen:
Diese Arbeit untersucht den Einsatz von Terahertz-(THz)-Technologie für berührungslose, zerstörungsfreie Prüfungen (NDT) in verschiedenen Industriesektoren. Die Studie hebt hervor, dass THz-Spektroskopie und -Bildgebung in der Lage sind, Schichtdicken zu messen, Defekte zu erkennen und Materialien in Bereichen wie Bauwesen, Energie und Fertigung zu charakterisieren. Sie betont die Vorteile von THz-Systemen, wie hohe räumliche Auflösung, Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und Sicherheit durch nicht-ionisierende Strahlung. Anwendungen umfassen die Überwachung von Korrosion in stahlbewehrtem Beton, die Erkennung von Fehlern in thermischen Schutzbeschichtungen und die Inspektion von Automobillackschichten. Die Autoren schließen, dass Fortschritte bei tragbaren, kosteneffektiven THz-Geräten die breite Einführung in der Industrie vorantreiben werden.
Tao, Y.H.; Fitzgerald, A.J.; Wallace, V.P. Non-Contact, Non-Destructive Testing in Various Industrial Sectors with Terahertz Technology. Sensors 2020, 20, 712.
“Application of Raman Spectroscopic Methods in Food Safety: A Review”
→ Anwendung: Lebensmittelüberwachung:
Diese Übersicht beleuchtet den Einsatz der Raman-Spektroskopie und ihrer fortgeschrittenen Techniken, wie der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS), zur Bewertung der Lebensmittelsicherheit. Raman-Methoden ermöglichen eine schnelle, zerstörungsfreie Erkennung biologischer, chemischer und physikalischer Kontaminanten, einschließlich Krankheitserregern, Toxinen und Mikroplastik. Durch die Kombination der Raman-Spektroskopie mit chemometrischen Modellen wird eine hohe Empfindlichkeit und Spezifität bei der Identifizierung von Kontaminanten selbst in komplexen Lebensmittelmatrizes erreicht. Der Artikel betont das Potenzial tragbarer Raman-Systeme für Vor-Ort-Anwendungen und plädiert für die Entwicklung standardisierter Datenbanken zur Verbesserung der Genauigkeit. Herausforderungen wie spektrale Überlappungen und Umwelteinflüsse werden diskutiert, zusammen mit Strategien zur Bewältigung dieser Einschränkungen und zur Erweiterung der praktischen Anwendungen.
Petersen, M.; Yu, Z.; Lu, X. Application of Raman Spectroscopic Methods in Food Safety: A Review. Biosensors 2021, 11, 187.
“Recent Progress in Surface-Enhanced Raman Scattering for the Detection of Chemical Contaminants in Water”
→ Trends und Anwendungen:
Diese Arbeit gibt einen Überblick über aktuelle Fortschritte in der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS) zur Erkennung chemischer Kontaminanten im Wasser. SERS ermöglicht die ultrasensitive Detektion von organischen und anorganischen Schadstoffen, indem plasmonische Nanostrukturen Raman-Signale verstärken. Die Studie behandelt Innovationen in SERS-Substraten und Sensordesigns, einschließlich des Einsatzes von Metall-Organischen Gerüststrukturen und aptamerbasierten Systemen zur Verbesserung der Selektivität und Empfindlichkeit. Herausforderungen wie Umwelteinflüsse, die Reproduzierbarkeit von Substraten und der Bedarf an Standardisierung werden hervorgehoben. Die Autoren schlagen zukünftige Entwicklungen vor, darunter tragbare SERS-Geräte für die Vor-Ort-Überwachung der Wasserqualität und die Integration mit anderen analytischen Methoden.
Bodelón G and Pastoriza-Santos I (2020) Recent Progress in Surface-Enhanced Raman Scattering for the Detection of Chemical Contaminants in Water. Front. Chem. 8:478. doi: 10.3389/fchem.2020.00478
“Sensing and Nondestructive Testing Applications of Terahertz Spectroscopy and Imaging Systems: State-of-the-Art and State-of-the-Practice”
→ Grundlagen und Anwendungen: (KP)
Diese Arbeit bietet einen umfassenden Überblick über die Terahertz-(THz)-Spektroskopie und Bildgebungssysteme für Anwendungen in der Sensorik und zerstörungsfreien Prüfung (NDT). Die THz-Technologie hat sich als wirksam für die Materialcharakterisierung, Überwachung der strukturellen Integrität und Qualitätskontrolle in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Pharmazie und Fertigung erwiesen. Die Studie hebt die Vorteile von THz-Wellen hervor, darunter ihre Fähigkeit, nichtleitende Materialien zu durchdringen und hochauflösende Bilder zu liefern, ohne Proben zu beschädigen. Herausforderungen wie Signalabschwächung, lange Aufnahmezeiten und begrenzte Systemportabilität werden ebenso diskutiert wie Fortschritte bei THz-Metamaterialien, die die Empfindlichkeit und Auflösung verbessern. Zukünftige Forschungen konzentrieren sich auf die Integration von THz-Sensorik mit künstlicher Intelligenz zur automatisierten Defekterkennung und die Erweiterung industrieller Anwendungen
W. Nsengiyumva et al., „Sensing and Nondestructive Testing Applications of Terahertz Spectroscopy and Imaging Systems: State-of-the-Art and State-of-the-Practice,“ in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 72, pp. 1-83, 2023, Art no. 4507483, doi: 10.1109/TIM.2023.3318676
“A rapid nondestructive testing method for distinguishing rice producing areas based on Raman spectroscopy and support vector machine”
→ Anwendung: Klassifikation von Reisproben (KP)
Diese Studie stellt eine schnelle, zerstörungsfreie Prüfmethode zur Unterscheidung von Reis-Anbaugebieten mithilfe der Raman-Spektroskopie und Support-Vektor-Maschinen (SVM) vor. Die Forscher analysierten 284 einzelne Reiskörner aus verschiedenen Regionen und extrahierten spektrale Daten im Bereich von 400–1700 cm⁻¹. Durch die Anwendung der Hauptkomponentenanalyse (PCA) und des sukzessiven Projektionsalgorithmus (SPA) wurden relevante spektrale Merkmale für die Klassifikationsmodelle optimiert. Die PCA-SVM- und SPA-SVM-Modelle erreichten hohe Erkennungsgenauigkeiten, wobei das beste Modell eine Genauigkeit von 94,68 % bei der Identifikation der Reisherkunft erzielte. Diese Methode bietet eine effiziente Lösung für die Reisauthentifizierung und Qualitätskontrolle mit Potenzial zur Bekämpfung von Lebensmittelbetrug.
Fangming Tian, Feng Tan, Huan Li, An rapid nondestructive testing method for distinguishing rice producing areas based on Raman spectroscopy and support vector machine, Vibrational Spectroscopy, Volume 107, 2020, 103017, ISSN 0924-2031
“Real-Time Monitoring of a Sol–Gel Reaction for Polysilane Production Using Inline NIR Spectroscopy”
→ Anwendung: Überwachung von Sol-Gel-Reaktion
Diese Studie untersucht den Einsatz von Inline-Nahinfrarot-(NIR)-Spektroskopie zur Echtzeitüberwachung einer Sol-Gel-Reaktion bei der Polysilanherstellung. Das NIR-basierte System ermöglicht eine kontinuierliche Analyse wichtiger Reaktanten und Zwischenprodukte und ermöglicht so eine präzise Steuerung des Reaktionsverlaufs und der Endpunktbestimmung. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Methode eine reproduzierbare Produktqualität sicherstellt, indem Abweichungen in den Kondensations- und Hydrolysestufen verhindert werden. Der Vergleich mit traditionellen Offline-Methoden wie ATR-MIR und NMR bestätigt die Genauigkeit und Effizienz des NIR-Überwachungsansatzes. Zukünftige Forschungen zielen darauf ab, die Datenverarbeitung zu verfeinern und die Methode auf andere Sol-Gel-Systeme auszuweiten.
Thomas Kisling, Robert Zimmerleiter, Lukas Roiser, Kristina Duswald, Markus Brandstetter, Christian Paulik, and Klaus Bretterbauer. Real-Time Monitoring of a Sol–Gel Reaction for Polysilane Production Using Inline NIR Spectroscopy. Langmuir 2023 39 (23), 8153-8162 DOI: 10.1021/acs.langmuir.3c00601
“Probeless non-invasive near-infrared spectroscopic bioprocess monitoring using microspectrometer technology”
→ Anwendung: Echtzeitüberwachung von Bioprozessen
Diese Studie demonstriert eine neuartige, sondenfreie Nahinfrarot-(NIR)-spektroskopische Methode zur Echtzeitüberwachung von Bioprozessen mit kostengünstiger Mikrospektrometertechnologie. Durch Messungen durch die Glaswand eines Bioreaktors wird diese nicht-invasive Technik ohne Eintauchsonden durchgeführt, wodurch das Risiko von Kontaminationen und die Kosten reduziert werden. Die Methode wurde angewendet, um die Konzentrationen von Biomasse, Penicillin und Phenoxyessigsäure in Penicillium-chrysogenum-Fermentationen zu überwachen, wobei eine Genauigkeit erreicht wurde, die mit traditionellen invasiven Methoden vergleichbar ist. Validierte Modelle der partiellen kleinsten Quadrate (PLS) zeigten eine starke Vorhersageleistung und unterstreichen das Potenzial dieses Ansatzes für die industrielle Bioprozessüberwachung. Zukünftige Verbesserungen könnten die Erweiterung der Spektralbereiche und die Optimierung der Vorhersagemodelle durch fortschrittliche Datenanalysetechniken umfassen.
Zimmerleiter, R., Kager, J., Nikzad-Langerodi, R. et al. Probeless non-invasive near-infrared spectroscopic bioprocess monitoring using microspectrometer technology. Anal Bioanal Chem 412, 2103–2109 (2020).
“Towards Real-Time In-Situ Mid-Infrared Spectroscopic Ellipsometry in Polymer Processing”
→ Forschung & Entwicklung: Qualitätskontrolle von Polymerproduktion
Diese Studie untersucht Fortschritte in der mittelinfraroten (MIR) spektroskopischen Ellipsometrie unter Verwendung von Quantenkaskadenlasern (QCLs) zur Echtzeit- und In-situ-Überwachung der Polymerverarbeitung. Durch die deutliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses und die Reduzierung der Messzeiten von Stunden auf Sekunden ermöglicht die Technik eine präzise Analyse von Polymerdünnschichten und Mehrschichtstrukturen. Die Experimente umfassen die Beobachtung der molekularen Reorientierung in einer biaxial orientierten Polyethylenterephthalat-(BOPET)-Folie während des Streckens und die Charakterisierung einer Polyethylen/Ethylen-Vinylalkohol/Polyethylen-(PE/EVOH/PE)-Mehrschichtfolie bei variierenden Winkeln. Die Ergebnisse zeigen eine überlegene spektrale und zeitliche Auflösung, die Einblicke in molekulare Strukturen, Schichtdicken und optische Eigenschaften ermöglicht. Zukünftige Anwendungen umfassen die Echtzeit-Überwachung in der industriellen Polymerproduktion und Qualitätskontrolle.
Ebner, A.; Zimmerleiter, R.; Hingerl, K.; Brandstetter, M. Towards Real-Time In-Situ Mid-Infrared Spectroscopic Ellipsometry in Polymer Processing. Polymers 2022, 14, 7.
“Probeless non-invasive near-infrared “In situ Raman Spectroscopy Monitors the Corrosion of Mild Steel in a Salt Fog Chamber” bioprocess monitoring using microspectrometer technology”
→ Anwendung: Korrosion von Baustahl
Diese Studie zeigt die Anwendung der in situ Raman-Spektroskopie zur Überwachung der Korrosion von Baustahl in einer Salznebelkammer. Durch die Verfolgung der Bildung und Umwandlung von Korrosionsprodukten wie Goethit, Hämatit, Magnetit und Siderit liefert die Studie detaillierte chemische Einblicke in den Korrosionsprozess. Die Versuchsanordnung, bestehend aus einer Raman-Sonde und multivariater Kurvenanalyse, ermöglichte die Echtzeitbeobachtung chemischer Veränderungen während abwechselnder Salznebel- und Trocknungsphasen über acht Tage. Die Ergebnisse zeigten, dass chemische Umwandlungen, wie der Übergang von Oxyhydroxiden zu Oxiden, langsamer verliefen als die physikalische Trocknung. Diese Methode bietet eine kompakte und effektive Lösung zum Verständnis von Korrosionsmechanismen und zur Entwicklung von Schutzbeschichtungen und Legierungen.
Bleij, A., Ponomareva, M., Nadlinger, M., Schimo-Aichhorn, G., Bingemann, D., Rathmell, C., Luckeneder, G., Haslehner, G., Gattinger, P., Brandstetter, M., Bilotto, P., & Valtiner, M. (2022). In situ Raman Spectroscopy Monitors the Corrosion of Mild Steel in a Salt Fog Chamber. SPECTROSCOPY, 37(6), 8–18.
“Evaluating the Improvement of Blend Potency Measurements in the Feed Frame of a Rotary Tablet Press Using Combined NIR and Raman Spectroscopy”
→ Methodenvergleich und Anwendung:
Diese Studie untersucht den Einsatz einer kombinierten Nahinfrarot- (NIR) und Raman-Spektroskopie in einer einzigen Sonde (NIRaman Combi Fiber Probe) zur Inline-Überwachung der Wirkstoffkonzentration in rotierenden Tablettenpressen. Die Forschung zeigt die Vorteile der Fusion von NIR- und Raman-Daten, wobei die Niedrig- und Mittelfusionsstufen die Vorhersagegenauigkeit und Empfindlichkeit für 5% w/w-Formulierungen verbessern. Es werden jedoch Herausforderungen bei der Erkennung von niedrig dosierten Formulierungen (1% w/w) aufgrund von verrauschten NIR-Daten hervorgehoben. Die Kombination der beiden spektroskopischen Techniken ermöglicht die Erfassung komplementärer Daten und verbessert die Echtzeitüberwachung des Wirkstoffgehalts. Zukünftige Arbeiten zielen darauf ab, Datenfusionstechniken zu optimieren und breitere Anwendungen für andere Wirkstoffe und Dosierungen zu erkunden.
De Man A, De Souter L, Shi Z, Mao C, De Beer T. Evaluating the Improvement of Blend Potency Measurements in the Feed Frame of a Rotary Tablet Press Using Combined NIR and Raman Spectroscopy. Anal Chem. 2024 Jul 2;96(26):10586-10593. doi: 10.1021/acs.analchem.4c01134. Epub 2024 Jun 17. PMID: 38887018.
6. Schwingungsmessung
Die Schwingungsmessung für die zerstörungsfreie Prüfung basiert auf der Analyse der Schwingungen, die durch mechanische Anregungen im Material erzeugt werden. Sensoren, wie Beschleunigungsmesser oder Laservibrometer, erfassen diese Schwingungen und messen ihre Frequenz, Amplitude und Dämpfung. Durch die Analyse dieser Schwingungsparameter können Rückschlüsse auf Materialfehler, wie Risse oder Delaminationen, gezogen werden, da solche Defekte das Schwingungsverhalten verändern. Diese Methode ermöglicht die Überprüfung der Materialintegrität ohne Beschädigung des Bauteils. Eine Ausprägung derartiger Techniken ist die Ultraschallsensorik (s. oben), bei viel geringeren Frequenzen (tlw. im hörbaren Frequenzspektrum) sind die Anwendungsfälle eher im Kontext von Zustandsüberwachung („Predictive Maintenance“) zu sehen, wo das frühzeitige Erkennen von Veränderungen Hinweise auf Komponentenermüdung, mangelnde Schmierung, Verschleiß etc. geben kann.
Wissenschaftliche Veröffentlichungen zu Schwingungsmessung (ausklappen)
“Non-destructive testing of concrete layer adhesion by means of vibration measurement”
→ Anwendung: Haftung von Betonschichten
Diese Studie schlägt eine zerstörungsfreie Prüfmethode vor, die Vibrationsmessungen verwendet, um die Haftung zwischen Schichten in Betonplatten, insbesondere in Garagenböden von Wohn- und Bürogebäuden, zu bewerten. Die Methode basiert auf Vibrationsdaten, die mit einem Vibrometer erfasst werden, und unterscheidet durch Labor- und Feldmessungen Bereiche mit schlechter oder guter Haftung. Die Ergebnisse zeigten, dass der Ansatz Haftungsstufen effektiv klassifizieren kann, wobei eine Sensitivität von 77 % und eine Spezifität von 54,5 % erreicht wurden, jedoch blieben 24,1 % der Fälle unentschieden. Der Test wurde erfolgreich an realen Bauwerken validiert und identifizierte problematische Bereiche ohne zerstörerische Probenahme. Zukünftige Verbesserungen zielen darauf ab, die Zahl der unentschiedenen Fälle zu reduzieren und die Anwendbarkeit in verschiedenen Baukontexten zu erweitern.
David Caballol, Álvaro P. Raposo, Francisco Gil-Carrillo, Non-destructive testing of concrete layer adhesion by means of vibration measurement, Construction and Building Materials, Volume 411, 2024, 134548, ISSN 0950-0618
“Review on Vibration-Based Structural Health Monitoring Techniques and Technical Codes”
→ Trends und Methoden:
Diese Arbeit gibt einen Überblick über vibrationsbasierte Techniken zur Überwachung der strukturellen Gesundheit (SHM) und deren Anwendung im Bauingenieurwesen, mit Schwerpunkt auf der Erkennung und Bewertung von Strukturschäden. Wichtige Methoden umfassen Ansätze im Frequenzbereich, Zeitbereich und Zeit-Frequenz-Bereich, die Schwingungseigenschaften analysieren, um den Ort und die Schwere von Schäden zu identifizieren. Fortschritte in der Sensortechnologie, der Signalverarbeitung und dem maschinellen Lernen haben die Genauigkeit und Effizienz von SHM-Systemen verbessert. Der Bericht diskutiert auch bestehende ISO-Standards und nationale Vorschriften zu SHM, weist jedoch auf Lücken in den detaillierten Anleitungen zur Sensorauswahl und Dateninterpretation hin. Zukünftige Entwicklungen zielen darauf ab, diese Lücken zu schließen und reale Anwendungen durch integrierte Datenplattformen und fortschrittliche Algorithmen zu verbessern.
Yang, Y.; Zhang, Y.; Tan, X. Review on Vibration-Based Structural Health Monitoring Techniques and Technical Codes. Symmetry 2021, 13, 1998.
“Non-Destructive Testing Applications for Steel Bridges”
→ Methodenvergleich und Anwendung:
Diese Arbeit bietet einen umfassenden Überblick über zerstörungsfreie Prüfmethoden (NDT) zur Bewertung des Zustands von Stahlbrücken, mit Schwerpunkt auf Techniken zur Erkennung lokaler Schäden. Behandelt werden visuelle Inspektionen, Eindringprüfungen, Ultraschalltests sowie fortschrittliche Ansätze wie Phased-Array-Ultraschall, Infrarot-Thermografie und Robotik. Die Autoren heben die Vorteile und Einschränkungen dieser Methoden hervor und betonen Fortschritte in der Sensortechnologie und Automatisierung, um Effizienz und Genauigkeit zu verbessern. Neue Technologien wie Drohnen und maschinelles Lernen werden diskutiert, um die Inspektionsmöglichkeiten insbesondere für schwer zugängliche Bereiche zu erweitern. Die Studie schließt mit Empfehlungen zur Integration mehrerer NDT-Techniken und zukünftigen Ansätzen zur Entwicklung kostengünstiger und zuverlässiger Werkzeuge.
Khedmatgozar Dolati, S.S.; Caluk, N.; Mehrabi, A.; Khedmatgozar Dolati, S.S. Non-Destructive Testing Applications for Steel Bridges. Appl. Sci. 2021, 11, 9757.
“Vibration Analysis for Machine Monitoring and Diagnosis: A Systematic Review”
→ Grundlagen :
Diese systematische Übersicht behandelt Vibrationsanalysetechniken zur Überwachung und Diagnose von Maschinen, mit dem Ziel, unerwartete Ausfälle zu verhindern. Zu den Hauptmethoden gehören Analysen im Zeit-, Frequenz- und Zeit-Frequenz-Bereich, die jeweils einzigartige Vorteile bei der Erkennung von Fehlern wie Unwucht, Fehlausrichtung und Verschleiß bieten. Neueste Fortschritte integrieren KI-Methoden wie neuronale Netze und Deep Learning, um die Genauigkeit zu erhöhen und die Fehlerdiagnose zu automatisieren. Die Studie hebt das Potenzial hervor, traditionelle Ansätze mit neuen Technologien wie intelligenten Sensoren und Systemen zur Echtzeit-Datenerfassung zu kombinieren. Zukünftige Entwicklungen konzentrieren sich auf die Verfeinerung KI-gesteuerter Techniken und die Verbesserung der Anpassungsfähigkeit von Vibrationsanalysen für verschiedene industrielle Anwendungen.
Ghazali, Mohamad & Rahiman, Wan. (2021). Vibration Analysis for Machine Monitoring and Diagnosis: A Systematic Review. Shock and Vibration. 2021. 1-25. 10.1155/2021/9469318.
“Vibration-based nondestructive testing as a practical tool for rapid concrete quality control”
→ Anwendung: Qualität von Schnellbeton (KP)
Diese Arbeit untersucht vibrationsbasierte zerstörungsfreie Prüfverfahren (NDT) als praktisches Werkzeug zur schnellen Qualitätskontrolle (QC) von Betonstrukturen. Es wird die Korrelation zwischen Druckfestigkeit und dynamischem Elastizitätsmodul (E-Modul) mittels Impact-Resonanz- und EMM-ARM-Methoden analysiert, um mechanische Eigenschaften indirekt zu bestimmen. Experimentelle Ergebnisse von über 245 Betonproben zeigen, dass vibrationsbasierte NDT-Techniken die Entwicklung der Betonsteifigkeit und -festigkeit während der Aushärtung zuverlässig vorhersagen können. Die Studie schlägt prädiktive Formeln vor, um die 28-Tage-Druckfestigkeit basierend auf frühen dynamischen E-Modul-Messungen zu schätzen. Zukünftige Forschungen konzentrieren sich auf die Verfeinerung dieser Modelle und deren Integration in umfassendere Qualitätssicherungsprozesse im Bauwesen.
Rafael Aguilar, Eduardo Ramírez, Vladimir G. Haach, Miguel A. Pando, Vibration-based nondestructive testing as a practical tool for rapid concrete quality control, Construction and Building Materials, Volume 104, 2016, Pages 181-190, ISSN 0950-0618
“Nondestructive assessment of cross-laminated timber using non-contact transverse vibration and ultrasonic testing”
→ Anwendung: Bewertung von Brettsperrholz (KP)
Diese Studie untersucht die zerstörungsfreie Bewertung von Brettsperrholz (CLT) mittels kontaktloser Transversalvibration und Ultraschallprüfung. Die mechanischen Eigenschaften von CLT-Proben werden analysiert, wobei Faktoren wie Feuchtigkeitsgehalt, Elastizitätsmodul und Dämpfungsverhältnis durch Vibrationsanalyse mit Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV) und Ultraschallprüfung (UT) bewertet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass der Feuchtigkeitsgehalt die Grundfrequenz und mechanische Festigkeit von CLT erheblich beeinflusst, wobei höhere Feuchtigkeitswerte zu einer verringerten Steifigkeit führen. Die Studie belegt, dass LDV eine zuverlässige Alternative zu Kontaktbeschleunigungsmessern für schnelle, vor-Ort-Strukturprüfungen darstellt. Zukünftige Arbeiten zielen darauf ab, diese zerstörungsfreien Methoden für die Qualitätssicherung und Langzeitüberwachung von CLT in Bauanwendungen weiter zu optimieren.
Zhang, L., Tiemann, A., Zhang, T. et al. Nondestructive assessment of cross-laminated timber using non-contact transverse vibration and ultrasonic testing. Eur. J. Wood Prod. 79, 335–347 (2021).
“Features of Laser-Vibrometric Nondestructive Testing of Polymer Composite Materials Using Air-Coupled Ultrasonic Transducers”
→ Anwendung: Prüfung von Polymer-Verbundstoffen (KP)
Diese Studie untersucht den Einsatz der Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV) zur zerstörungsfreien Prüfung (NDT) von Polymerverbundwerkstoffen (PCMs) unter Verwendung luftgekoppelter Ultraschallwandler. Die Forschung analysiert verschiedene Erregungsmethoden, darunter piezoelektrische, magnetostriktive und Gasentladungswandler, zur Erzeugung von Ultraschallwellen zur Defekterkennung. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass LDV durch die Analyse von Schwingungsmustern und Resonanzfrequenzen effektiv Aufprallschäden identifizieren kann. Die Studie hebt die Vorteile der kontaktlosen Ultraschallprüfung hervor, die die Qualitätskontrolle vereinfacht und Störungen am Prüfobjekt minimiert. Zukünftige Forschung zielt darauf ab, luftgekoppelte Erregungssysteme zu optimieren und ihre Anwendung in der Industrie und Luftfahrt-NDT zu erweitern.
Derusova, D.A., Vavilov, V.P., Nekhoroshev, V.O. et al. Features of Laser-Vibrometric Nondestructive Testing of Polymer Composite Materials Using Air-Coupled Ultrasonic Transducers. Russ J Nondestruct Test 57, 1060–1071 (2021).
“Non-destructive testing of composite plates by holographic vibrometry”
→ Anwendung: Prüfung von Verbundplatten (KP)
Diese Studie stellt eine zerstörungsfreie Prüfmethode (NDT) vor, die mithilfe der holographischen Vibrometrie Delaminationen in Verbund-Sandwichplatten erkennt. Durch die Messung von außerplanaren Schwingungsamplituden mit zeitgemittelter Heterodyn-Holographie ermöglicht die Methode eine Echtzeit-Überwachung der strukturellen Integrität. Die Forschung zeigt, dass Delaminationen lokale Resonanzeffekte in Biegewellen verursachen, sodass die Defektgröße anhand der Resonanzfrequenz und mechanischen Eigenschaften abgeschätzt werden kann. Im Vergleich zur herkömmlichen Laser-Doppler-Vibrometrie und Puls-Thermografie bietet die holographische Vibrometrie eine schnelle, berührungslose Alternative mit hoher Defektempfindlichkeit. Zukünftige Verbesserungen konzentrieren sich auf die Verfeinerung der Auflösung und die Erweiterung der Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie der industriellen Verbundwerkstoffprüfung.
Francois Bruno, Jérôme Laurent, Claire Prada, Benjamin Lamboul, Bruno Passilly, Michael Atlan; Non-destructive testing of composite plates by holographic vibrometry. J. Appl. Phys. 21 April 2014; 115 (15): 154503.
7. Akustische Messtechnik
Die Akustische Messtechnik befasst sich mit der Messung und Analyse von Schallwellen in verschiedenen Frequenzbereichen. Sie umfasst den Hörschall (20 Hz bis 20 kHz), der für das menschliche Gehör wahrnehmbar ist, sowie den Infraschall (unter 20 Hz) und den Ultraschall (s. oben; über 20 kHz). Besonders hohe Frequenzen im Ultraschallbereich können bis zu mehreren GHz reichen. Akustische Messtechnik wird eingesetzt zur Untersuchung von Schallquellen, -ausbreitung und -absorption. Techniken wie Mikrofonarrays und Laser-Doppler-Vibrometer ermöglichen präzise Messungen in verschiedenen Anwendungen, von der Bauakustik bis hin zur medizinischen Diagnostik und industriellen Qualitätskontrolle. Die Analyse umfasst sowohl die zeitliche als auch die frequenzbasierte Auswertung der Schallsignale.
Wissenschaftliche Veröffentlichungen zu akustischer Messtechnik (ausklappen)
“Recent Advancements in Non-Destructive Testing Techniques for Structural Health Monitoring”
→ Übersicht und Methodenvergleich:
Diese Arbeit gibt einen Überblick über die jüngsten Fortschritte in der zerstörungsfreien Prüftechnologie (NDT) für die Überwachung der strukturellen Gesundheit (SHM) mit Schwerpunkt auf Anwendungen in Beton-, Mauerwerks-, Holz- und Stahlkonstruktionen. Diskutiert werden verschiedene Methoden wie Bodenradar, Infrarot-Thermografie, faseroptische Sensoren, Laserscanning und Ultraschallverfahren, wobei ihre Prinzipien und neueste Innovationen hervorgehoben werden. Die Integration von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen wurde untersucht, um Herausforderungen wie die Dateninterpretation zu bewältigen und die Genauigkeit dieser Technologien zu verbessern. Die Kombination mehrerer NDT-Techniken hat sich als vielversprechender Ansatz erwiesen, um umfassende Bewertungen des strukturellen Zustands zu ermöglichen. Zukünftige Entwicklungen zielen darauf ab, Tragbarkeit, Kosteneffizienz und Echtzeit-Datenanalyse-Fähigkeiten zu verbessern, um die Anwendbarkeit dieser Techniken im Bauingenieurwesen zu erweitern.
Kot, P.; Muradov, M.; Gkantou, M.; Kamaris, G.S.; Hashim, K.; Yeboah, D. Recent Advancements in Non-Destructive Testing Techniques for Structural Health Monitoring. Appl. Sci. 2021, 11, 2750.
“Non-Destructive Testing Mechanism for Pre-Stressed Steel Wire Using Acoustic Emission Monitoring”
→ Anwendung: Prüfung von vorgespanntem Stahldraht
Diese Arbeit untersucht den Einsatz von akustischer Emissionsüberwachung (AE) als Methode der zerstörungsfreien Prüfung (NDT) für vorgespannte Stahldrähte in der Infrastruktur. Mithilfe der semi-analytischen Finite-Elemente-Methode (SAFE) wird die geführte Ultraschallwellenausbreitung in achsensymmetrischen Stahldrähten unter verschiedenen Spannungsbedingungen analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass bestimmte Wellenmoden in hochfrequenten Bereichen geringe Dämpfungen aufweisen und sich daher zur Überwachung der strukturellen Integrität eignen. Die vorgeschlagene Methode identifiziert effektiv Materialveränderungen und erkennt potenzielle Schäden, wodurch Einblicke in Spannungs- und Wellendispersionseigenschaften gewonnen werden. Zukünftige Arbeiten konzentrieren sich auf die Optimierung der Modenauswahl und die Erweiterung der Anwendungen auf komplexere Struktursysteme.
Thiyagarajan, J.S. Non-Destructive Testing Mechanism for Pre-Stressed Steel Wire Using Acoustic Emission Monitoring. Materials 2020, 13, 5029.
“Non-Destructive Testing for Cavity Damages in Automated Machines Based on Acoustic Emission Tomography”
→ Anwendung: Prüfung von Hohlraumschäden in automatisierten Maschinen
Diese Arbeit stellt eine neuartige Methode der akustischen Emissionstomographie (AE) zur zerstörungsfreien Prüfung von Hohlraumschäden in automatisierten Maschinen vor. Durch die Kombination der Fast-Sweeping-Methode (FSM) mit dem begrenzten Speicher-Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno-Algorithmus (L-BFGS) ermöglicht der Ansatz eine genaue Identifizierung von Hohlraumpositionen und -größen mittels Geschwindigkeitsfeldanalyse. Numerische und Laborversuche bestätigten die Wirksamkeit dieser Technik und zeigten, dass Niedriggeschwindigkeitsbereiche genau mit den tatsächlichen Hohlraumschäden übereinstimmen. Die Methode bietet Echtzeit-Detektionsmöglichkeiten und überwindet die Einschränkungen von statischen Geräten und komplexen Analysen herkömmlicher zerstörungsfreier Prüfverfahren. Diese Entwicklung bietet Potenzial für eine breitere Anwendung in der Wartung automatisierter Maschinen und kann auf andere Schadensarten wie Risse und Korrosion ausgeweitet werden.
Su, Y.; Dong, L.; Pei, Z. Non-Destructive Testing for Cavity Damages in Automated Machines Based on Acoustic Emission Tomography. Sensors 2022, 22, 2201.
“Development of acoustic methods and production of modern digital devices and technologies for ultrasonic non-destructive testing”
→ Grundlagen und Anwendungen:
Diese Arbeit gibt einen Überblick über Fortschritte in akustischen Methoden und der Entwicklung moderner Ultraschallgeräte für die zerstörungsfreie Prüfung (NDT). Sie untersucht den Einsatz von Kontaktwandlern mit Trockenpunkt (DPC) und elektromagnetischen akustischen Wandlern (EMATs) zur Prüfung von Beton, Schienen und Schweißnähten, wobei der Fokus auf verbesserter Präzision und Effizienz liegt. Die Integration von phasengesteuerten Antennenarrays und digitaler Signalverarbeitung hat die Detektionsmöglichkeiten für verschiedene Wellentypen erweitert und ermöglicht bessere Strukturbewertungen. Die Studie betont die Bedeutung der Reduzierung menschlicher Fehler, der Verbesserung metrologischer Eigenschaften und der Erhöhung der Objektivität bei Prüfungen. Zukünftige Entwicklungen umfassen die Optimierung phasengesteuerter Arrays und die Ausweitung des Ultraschalleinsatzes auf verschiedene industrielle Anwendungen.
Samokrutov, Andrey & Shevaldykin, V & Bobrov, V & Kozlov, V. (2006). Development of acoustic methods and production of modern digital devices and technologies for ultrasonic non-destructive testing. Ultragarsas. 61.
“Acoustic emission non-destructive testing of structures using source location techniques.”
→ Grundlagen:
Diese Arbeit untersucht den Einsatz von akustischen Emissionsverfahren (AE) für die zerstörungsfreie Prüfung (NDT) von Strukturen, mit Schwerpunkt auf der Schadensidentifikation durch Quellenlokalisierungsmethoden. Die Studie behandelt die Grundlagen der AE, die Ausbreitung akustischer Wellen in Materialien sowie die Gestaltung und Einrichtung von AE-Systemen. Fallstudien zu Windturbinenblättern und Druckbehältern zeigen die Wirksamkeit von AE bei der Erkennung und Überwachung struktureller Schäden. Die Arbeit beleuchtet Herausforderungen wie Signalabschwächung und Rauschunterdrückung und bietet praktische Lösungen sowie Beispiele für Software-Tools zur AE-Datenanalyse. Zukünftige Entwicklungen zielen auf die Verbesserung der AE-Sensortechnologie und die Ausweitung ihrer Anwendungen in der industriellen und infrastrukturellen Gesundheitsüberwachung ab.
Beattie, Alan G. (2013). Acoustic emission non-destructive testing of structures using source location techniques.
“Vibro-acoustic modulation baseline-free non-destructive testing”
→ Trends: (KP)
Diese Studie untersucht eine referenzfreie Vibro-Akustik-Modulationsmethode (VAM) zur zerstörungsfreien Prüfung (NDT) zur Erkennung struktureller Schäden. Im Gegensatz zu herkömmlichen VAM-Techniken, die einen Ausgangszustand ohne Schäden erfordern, analysiert dieser Ansatz nichtlineare akustische Reaktionen zur Identifizierung von Rissen und Defekten. Die Forschung untersucht verschiedene nichtlineare Mechanismen und deren Variationen des Modulationsindexes (MI) und zeigt, wie sich diese Parameter mit der Materialermüdung entwickeln. Experimentelle Tests an Stahlproben bestätigen, dass diese Methode Schäden früher erkennen kann als traditionelle Ultraschall- oder Wirbelstromprüfungen. Zukünftige Verbesserungen konzentrieren sich auf die Verfeinerung der Signalverarbeitung und die Erweiterung der Anwendungen im Bereich der strukturellen Gesundheitsüberwachung.
Dimitri Donskoy, Dong Liu, Vibro-acoustic modulation baseline-free non-destructive testing, Journal of Sound and Vibration, Volume 492, 2021, 115808, ISSN 0022-460X
8. Wärmeleitung, Wärmestrahlung
Die zerstörungsfreie Prüfung durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung, auch Thermografie genannt, basiert auf der Erfassung und Analyse von Temperaturverteilungen auf der Oberfläche eines Materials. Bei der aktiven Thermografie wird das Prüfobjekt durch eine externe Wärmequelle (z.B. Infrarotblitzlampe) erhitzt, und ein Infrarotkamera erfasst die resultierenden Wärmebilder. Diese Bilder zeigen Temperaturunterschiede, die auf Materialunregelmäßigkeiten wie Risse oder Delaminationen hinweisen, da solche Defekte die Wärmeleitfähigkeit verändern und somit Temperaturanomalien verursachen. Die Thermografie ermöglicht so eine schnelle und großflächige Untersuchung von Materialien ohne deren Zerstörung. Sie kann für die unterschiedlichsten Materialien eingesetzt werden, die erzielbaren Ergebnisse sind immer von den Wärmeleiteigenschaften abhängig.
Wissenschaftliche Veröffentlichungen zu Wärmeleitung, Wärmestrahlung (ausklappen)
“Recent Advances in Active Infrared Thermography for Non-Destructive Testing of Aerospace Components”
→ Grundlagen und Anwendung:
Diese Arbeit gibt einen Überblick über Fortschritte in der aktiven Infrarot-Thermografie (IRT) zur zerstörungsfreien Prüfung (NDT) von Luft- und Raumfahrtkomponenten mit Fokus auf Methoden wie optisch stimulierte, ultraschallstimulierende und Wirbelstrom-Thermografie. Diese Techniken ermöglichen eine schnelle, präzise und nicht-invasive Bewertung von Materialien und erkennen Schäden wie Delaminationen, Risse und Korrosion in Verbund- und Metallstrukturen. Neue Ansätze wie materialbasierte Thermografie erhöhen die Zuverlässigkeit durch die Nutzung interner Wärmequellen und verringern die Abhängigkeit von externen Erregungen. Die Studie hebt die Integration fortschrittlicher Signalverarbeitungsmethoden hervor, um die Defekterkennung und -analyse zu verbessern. Zukünftige Forschung konzentriert sich auf Miniaturisierung, Kostenreduktion und die Anpassung dieser Techniken an verschiedene Luft- und Raumfahrtmaterialien und -bedingungen.
Ciampa, F.; Mahmoodi, P.; Pinto, F.; Meo, M. Recent Advances in Active Infrared Thermography for Non-Destructive Testing of Aerospace Components. Sensors 2018, 18, 609.
“Non-Destructive Testing Mechanism for Pre-Stressed Steel Wire Using Acoustic Emission Monitoring”
→ Anwendung: Drohnenbasierte Überwachung von Industrieanlagen
Diese Arbeit untersucht den Einsatz von Drohnen für zerstörungsfreie Prüfungen (NDI) von Industrieinfrastrukturen und betont deren Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden. Drohnen mit fortschrittlichen Sensoren ermöglichen effiziente, sichere und kostengünstige Inspektionen in schwer zugänglichen oder gefährlichen Bereichen wie Brücken, Windturbinen und Nuklearanlagen. Fallstudien zeigen die Wirksamkeit von drohnengestützter Wärmebildgebung, visuellen Inspektionen und Datenerfassung für Anwendungen von Energieeffizienzbewertungen bis hin zur Schadensdetektion in Bauteilen. Die Integration von Technologien wie KI und Bildzusammenführung verbessert die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Inspektionen und adressiert Herausforderungen wie Vibrationen und Reflexionen. Die Studie hebt das Potenzial von Drohnen hervor, die industrielle Wartung und Überwachung zu revolutionieren, wobei laufende Forschung auf die Verbesserung von Tragbarkeit, Automatisierung und Echtzeit-Datenverarbeitung abzielt.
Nooralishahi, P.; Ibarra-Castanedo, C.; Deane, S.; López, F.; Pant, S.; Genest, M.; Avdelidis, N.P.; Maldague, X.P.V. Drone-Based Non-Destructive Inspection of Industrial Sites: A Review and Case Studies. Drones 2021, 5, 106.
“Inductive Thermography as Non-Destructive Testing for Railway Rails”
→ Anwendung: Überprüfung von Zuggleisen
Diese Arbeit untersucht die induktive Thermografie als Methode der zerstörungsfreien Prüfung (NDT) zur Erkennung und Charakterisierung von Defekten in Eisenbahnschienen, wie Kopfhaarrissen und Squats. Die Methode basiert auf dem Erwärmen der Schienenoberfläche mit kurzen Pulsen und der Erfassung von Temperaturveränderungen mit Infrarotkameras, wodurch Oberflächen- und Nahbereichsrisse sichtbar werden. Laborexperimente und Finite-Elemente-Simulationen bestätigten die Fähigkeit der Technik, Defekteigenschaften wie Tiefe und Orientierung mit hoher Genauigkeit und Effizienz zu identifizieren. Zwei Ansätze, Stop-and-Go- und Scanmethoden, wurden untersucht, wobei sich ihre komplementären Stärken in Auflösung und Praktikabilität für lange Schieneninspektionen zeigten. Zukünftige Arbeiten zielen darauf ab, die Qualität der Scanmethode zu verbessern und tragbare Systeme für den Feldeinsatz zu entwickeln.
Tuschl, C.; Oswald-Tranta, B.; Eck, S. Inductive Thermography as Non-Destructive Testing for Railway Rails. Appl. Sci. 2021, 11, 1003.
“Active Thermography for the Detection of Sub-Surface Defects on a Curved and Coated GFRP-Structure”
→ Trends und Methoden:
Diese Studie untersucht den Einsatz der aktiven Thermografie, insbesondere der Long-Pulse-Thermografie, zur Erkennung von Untergrunddefekten in gekrümmten und beschichteten glasfaserverstärkten Kunststoffstrukturen (GFRP), wie sie an den Vorderkanten von Windturbinenblättern vorkommen. Die Methode basiert auf dem Aufheizen der Oberfläche und der Erfassung von Thermogrammen während der Abkühlphase, wodurch Defekte mit einem Tiefe-Durchmesser-Verhältnis von bis zu 1,04 sichtbar werden. Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) verbessert die Sichtbarkeit und den Kontrast der Defekte und ermöglicht eine effektive Erkennung auch aus nicht senkrechten Blickwinkeln. Experimente bestätigten die Machbarkeit der Inspektion realer Strukturen und lieferten Erkenntnisse zur Erkennbarkeit von Defekten sowie zu optimalen Anregungszeiten basierend auf der Defekttiefe. Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial der Methode zur Verbesserung von Wartung und Überwachung von Rotorblättern unter Feldbedingungen.
Jensen, F.; Terlau, M.; Sorg, M.; Fischer, A. Active Thermography for the Detection of Sub-Surface Defects on a Curved and Coated GFRP-Structure. Appl. Sci. 2021, 11, 9545.
“Development and Application of Infrared Thermography Non-Destructive Testing Techniques”
→ Theorie und Trends:
Diese Arbeit gibt einen Überblick über die Entwicklung und Anwendungen der Infrarot-Thermografie (IRT) für die zerstörungsfreie Prüfung (NDT) mit Schwerpunkt auf verschiedenen Techniken wie Puls-, Lock-in- und Laserscan-Thermografie. IRT wird für ihre Fähigkeit anerkannt, schnell und präzise Defekte in Metallen, Verbundwerkstoffen und anderen Materialien durch die Analyse von Oberflächentemperaturveränderungen aufgrund interner Mängel zu identifizieren. Fortschritte in der Datenverarbeitung, wie Hauptkomponentenanalyse und thermische Signalrekonstruktion, verbessern die Genauigkeit der Defekterkennung und die Rauschunterdrückung. Die kontaktlose, großflächige Abdeckung macht IRT wertvoll für Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Bauwesen und medizinische Diagnostik. Die Studie betont die Integration moderner Sensoren und KI, um die Effizienz zu steigern und komplexe Inspektionsszenarien zu bewältigen.
Qu, Z.; Jiang, P.; Zhang, W. Development and Application of Infrared Thermography Non-Destructive Testing Techniques. Sensors 2020, 20, 3851.
“Latest Advances in Common Signal Processing of Pulsed Thermography for Enhanced Detectability: A Review”
→ Trends:
Diese Übersicht behandelt Fortschritte in der Puls-Thermografie (PT) als Methode der zerstörungsfreien Prüfung (NDT) mit Schwerpunkt auf Signalverarbeitungsmethoden zur verbesserten Erkennung von Defekten. Es werden die Prinzipien der PT erläutert, bei der kurze Wärmepulse durch die Analyse von Wärmeausbreitungsmustern Untergrunddefekte sichtbar machen. Wichtige Innovationen wie Puls-Phasen-Thermografie (PPT), Hauptkomponenten-Thermografie (PCT) und Thermografische Signalrekonstruktion (TSR) werden hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Verbesserung der Datenqualität und Rauschunterdrückung untersucht. Anwendungen erstrecken sich über verschiedene Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobil und Bauwesen, wobei laufende Forschungen auf die Integration von künstlicher Intelligenz und Deep Learning für eine automatisierte und genauere Analyse abzielen. Zukünftige Entwicklungen konzentrieren sich auf die Verfeinerung der Signalverarbeitung, Kostensenkung und die Verbesserung der Zugänglichkeit für eine breitere industrielle Nutzung.
Chung, Y.; Lee, S.; Kim, W. Latest Advances in Common Signal Processing of Pulsed Thermography for Enhanced Detectability: A Review. Appl. Sci. 2021, 11, 12168.
“Infrared Thermography for Temperature Measurement and Non-Destructive Testing”
→ Grundlagen und Anwendungen:
Diese Arbeit gibt einen Überblick über die Prinzipien, Fortschritte und Anwendungen der Infrarot-Thermografie (IRT) zur Temperaturmessung und zerstörungsfreien Prüfung (NDT). IRT bietet einen kontaktlosen, nicht-invasiven Ansatz zur Erkennung von Untergrunddefekten durch Analyse thermischer Verhaltensunterschiede und findet Anwendung in Bereichen wie Medizin, Gebäudeinspektion und industrieller Wartung. Passive IRT misst natürliche Strahlung, während aktive IRT eine externe Wärmestimulation verwendet, um Anomalien wie Risse, Korrosion oder Wärmeverluste hervorzuheben. Fortschritte in Signalverarbeitungstechniken, darunter Hauptkomponentenanalyse und dynamische thermische Tomografie, haben die Defekterkennung und -interpretation erheblich verbessert. Zukünftige Forschungen zielen darauf ab, die Genauigkeit, Zugänglichkeit und Integration von IRT mit fortschrittlichen Technologien wie künstlicher Intelligenz für breitere Anwendungen zu verbessern.
Usamentiaga, R.; Venegas, P.; Guerediaga, J.; Vega, L.; Molleda, J.; Bulnes, F.G. Infrared Thermography for Temperature Measurement and Non-Destructive Testing. Sensors 2014, 14, 12305-12348.
“Infrared Thermography and Thermal Nondestructive Testing”
→ Buch Grundlagen (kostenpflichtig)
Dieses Buch bietet einen umfassenden Überblick über die thermische zerstörungsfreie Prüfung (TNDT) und kombiniert Elemente der Wärmeleitung, Infrarot-Thermografie und industriellen Prüftechniken. Es behandelt theoretische Grundlagen wie physikalische Modelle der TNDT, den Wärmeübergang in fehlerhaften und intakten Strukturen sowie die thermischen Eigenschaften von Materialien. Fortschrittliche Datenverarbeitungstechniken wie Puls-Phasen-Thermografie, Polynomapproximation und thermografische Signalrekonstruktion werden zur Optimierung der TNDT-Verfahren und zur Defektcharakterisierung erläutert. Zudem werden praktische Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Energieerzeugung, dem Bauwesen und dem Erhalt von Kunstdenkmälern vorgestellt. Das Buch richtet sich an Fachleute aus der Industrie, Forscher und Studierende und dient sowohl als technisches Nachschlagewerk als auch als Lehrbuch für TNDT.
Vavilov, Vladimir & Burleigh, Douglas. (2020). Infrared Thermography and Thermal Nondestructive Testing. 10.1007/978-3-030-48002-8.
“Non-destructive estimation of spatially varying thermal conductivity in 3D objects using boundary thermal measurements”
→ Anwendung: Räumlich variierende Wärmeleitfähigkeit in 3D Objekten (KP)
Diese Studie stellt eine zerstörungsfreie Methode zur Bestimmung der räumlich variierenden Wärmeleitfähigkeit in 3D-Objekten anhand von thermischen Randmessungen vor. Der Ansatz basiert auf der Lösung eines inversen Problems durch Minimierung der Fehlerquadratsumme zwischen gemessenen und berechneten thermischen Werten unter Verwendung der Finite-Volumen- und Finite-Elemente-Methoden. Um die Effizienz zu steigern, wurden Ersatzmodelle eingesetzt, um den inversen Schätzungsprozess zu beschleunigen. Die Methode ermöglicht die erfolgreiche Detektion der Position, Größe und Form von Subdomänen innerhalb eines Festkörpers und eignet sich somit zur Analyse komplexer Materialeigenschaften. Zukünftige Forschungen zielen darauf ab, die Technik für breitere Anwendungen in Ingenieurwissenschaften und Materialforschung weiter zu verfeinern.
Sohail R. Reddy, George S. Dulikravich, S.M.Javad Zeidi, Non-destructive estimation of spatially varying thermal conductivity in 3D objects using boundary thermal measurements, International Journal of Thermal Sciences, Volume 118, 2017, Pages 488-496, ISSN 1290-0729
9. Neigungs-/ Lagesensorik
Die Neigungs- und Lagesensorik für zerstörungsfreie Prüfung basiert auf verschiedenen Technologien wie Gyroskopen, Beschleunigungsmessern und Magnetometern, die die Lage und Ausrichtung eines Objekts relativ zum Erdmagnetfeld erfassen. Diese Sensoren erfassen winzige Veränderungen in der Neigung und Position eines Objekts und ermöglichen so die Überwachung von Strukturen wie Brücken, Gebäuden oder Pipelines auf Verformungen oder Bewegungen, ohne dass physische Inspektionen erforderlich sind. Die Daten werden oft in Echtzeit analysiert und können dazu beitragen, potenzielle Risiken frühzeitig zu erkennen und präventive Maßnahmen zu ergreifen, um Unfälle oder Schäden zu vermeiden.
Wissenschaftliche Veröffentlichungen zu Neigungs-/ Lagesensorik (ausklappen)
“Determining strength limits for standing tree stems from bending tests”
→ Anwendung: Biegefähigkeit von Bäumen
Diese Arbeit stellt eine neuartige Feldmethode zur Bestimmung der Proportionalitätsgrenze (PL) beim Biegen von stehenden Baumstämmen mittels zerstörungsfreier Zugversuche vor. Die Studie vergleicht die in den Randfasern gemessene Steifigkeit während zerstörungsfreier Tests mit den Biegemomenten, die erforderlich sind, um die PL und das endgültige Versagen zu erreichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Steifigkeit ein zuverlässiger Indikator für die Fließgrenze ist, während Materialeigenschaften aus Tests an kleinen Proben nur eine geringe Korrelation mit der Festigkeit ganzer Baumstämme aufweisen. Die neue Methode verwendet Inklinometer und Kraftmessgeräte, um Stammdurchbiegung und Krafteinwirkung zu messen, und bietet einen praxisnahen Ansatz für die Risikobewertung von Stadtbäumen. Zukünftige Anwendungen umfassen die Verwendung dieser Methodik zur Verfeinerung von Festigkeitsgrenzwerten und zur Verbesserung der Stabilitätsbewertung von Bäumen.
Detter et al. Determining strength limits for standing tree stems from bending tests. From proceedings of European ISA Conference Torino 2014
“A Systematic Review of Advanced Sensor Technologies for Non-Destructive Testing and Structural Health Monitoring”
→ Grundlagen und Methodensammlung:
Diese systematische Übersicht untersucht Fortschritte in der Sensortechnologie für zerstörungsfreie Prüfungen (NDT) und strukturelle Gesundheitsüberwachung (SHM). Sie bewertet traditionelle und neue Sensoren, darunter Faseroptik, Laservibrometrie, akustische Emissionen und Drohnen, und beleuchtet deren Prinzipien, Vorteile und Einschränkungen. Die Integration von künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen hat die Schadensdetektion und Dateninterpretation erheblich verbessert und ermöglicht effizientere und automatisierte Inspektionen. Die Studie betont die Bedeutung der Kombination mehrerer NDT-Techniken für umfassende Bewertungen und diskutiert die wachsende Verbreitung von SHM-Systemen für die Echtzeit-Überwachung von Bauwerken. Zukünftige Entwicklungen umfassen die Entwicklung kosteneffizienter, tragbarer Sensoren und die Verfeinerung von KI-Anwendungen zur Verbesserung der Genauigkeit und Anwendbarkeit.
Hassani, S.; Dackermann, U. A Systematic Review of Advanced Sensor Technologies for Non-Destructive Testing and Structural Health Monitoring. Sensors 2023, 23, 2204.
“A Low Cost Non-Contact and Non-Destructive Method for Evaluating the Variation of the Shear Modulus for Glued Laminated Timber Beams using a Photogrammetric Approach”
→ Anwendung: Qualität von verleimten Brettschichtholzträgern
Diese Arbeit stellt einen neuartigen photogrammetrischen Ansatz zur berührungslosen und zerstörungsfreien Messung von Torsionsverformungen in Brettschichtholzbalken vor. Mithilfe von zwei binokularen Stereo-Kamerasystemen erfasst die Methode 3D-Oberflächenverformungen unter Torsionsbelastung und ermöglicht eine präzise Bewertung der Variation des Schubmoduls. Die Studie zeigt, dass der Ansatz die Einschränkungen traditioneller Inklinometer überwindet, die nur eine begrenzte Anzahl von Punkten messen und aufgrund von Rutschbewegungen ungenau sein können. Die experimentellen Ergebnisse zeigten eine starke Korrelation zwischen den photogrammetrischen und Inklinometerdaten, was die Genauigkeit der neuen Methode bestätigt. Diese Technik bietet eine kosteneffiziente, skalierbare Lösung für die Überwachung des strukturellen Verhaltens von Holzbalken, insbesondere in der Bau- und Strukturtechnik.
Mohamed, A., Zhang, H., Smith, I., & Xiao, Z. (2015, September). A Low Cost Non-Contact and Non-Destructive Method for Evaluating the Variation of the Shear Modulus for Glued Laminated Timber Beams using a Photogrammetric Approach. Presented at Proceedings of the Fifteenth International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing
“Experimental Test of Non-Destructive Methods to Assess the Anchorage of Trees”
→ Anwendung: Verankerung von Bäumen
Diese Studie untersucht zerstörungsfreie Methoden zur Bewertung der Verankerungsfestigkeit von Bäumen, insbesondere durch statische Zugtests. Über 280 Bäume von 15 Arten an verschiedenen Standorten wurden mit hochauflösenden Inklinometern und Kraftmessern auf Wurzelplattenrotation und aufgebrachte Kräfte untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Rotationssteifigkeit bei 0,25° Neigung ein zuverlässiger Indikator für die Verankerungsfestigkeit ist, wobei aktuelle Vorhersagegleichungen sichere, leicht konservative Schätzungen liefern. Es wurden nur minimale Unterschiede in der Verankerungsfestigkeit zwischen Arten oder Standorten festgestellt, was auf die breite Anwendbarkeit der Methode sowohl für städtische als auch für Waldbäume hinweist. Zukünftige Arbeiten konzentrieren sich auf die Verfeinerung dieser Modelle und die Bewältigung von Herausforderungen bei kleineren Bäumen zur Verbesserung der Genauigkeit bei der Baumrisikobewertung.
Detter, A.; Rust, S.; Krišāns, O. Experimental Test of Non-Destructive Methods to Assess the Anchorage of Trees. Forests 2023, 14, 533.
“Non-Destructive Techniques for the Condition and Structural Health Monitoring of Wind Turbines: A Literature Review of the Last 20 Years”
→ Theorie und Trends:
Diese Übersicht untersucht zerstörungsfreie Prüfmethoden (NDT) zur Überwachung des Zustands und der strukturellen Gesundheit von Windkraftanlagen in den letzten zwei Jahrzehnten. Es werden traditionelle Techniken wie visuelle Inspektion, Ultraschallprüfung und Infrarot-Thermografie sowie fortschrittliche Ansätze mit Drohnen, Robotern und künstlicher Intelligenz für eine verbesserte Überwachung hervorgehoben. Wichtige Anwendungen umfassen die Erkennung von Blattschäden, strukturellen Defekten und mechanischen Fehlern bei Onshore- und Offshore-Anlagen. Die Integration mehrerer NDT-Methoden und automatisierter Systeme wird betont, um Wartungskosten zu senken, die Sicherheit zu erhöhen und den Übergang zu zustandsbasierten Wartungsstrategien zu erleichtern. Zukünftige Arbeiten konzentrieren sich auf die Entwicklung kosteneffizienter, tragbarer Lösungen und die Erweiterung ihrer Anwendbarkeit auf verschiedene Turbinentypen und Umgebungen.
Civera, M.; Surace, C. Non-Destructive Techniques for the Condition and Structural Health Monitoring of Wind Turbines: A Literature Review of the Last 20 Years. Sensors 2022, 22, 1627.
“Analysis of displacement of excavation based on inclinometer measurements”
→ Anwendung: Aushubverschiebung
Diese Studie analysiert durch Aushub verursachte Verschiebungen mithilfe von Inklinometermessungen, um die Leistung einer auskragenden Bohrpfahlwand bei einer tiefen Baugrube zu bewerten. Eine Rückwärtsanalyse wurde eingesetzt, um geotechnische Parameter wie den Reibungswinkel und den Elastizitätsmodul zu schätzen, indem gemessene Verschiebungen mit theoretischen Vorhersagen aus Finite-Elemente-Simulationen verglichen wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Verschiebungen an zwei Messstellen unterschieden, was den Einfluss der Bodenbeschaffenheit und der Aushubtiefe auf die Stabilität der Wand verdeutlicht. Numerische Simulationen mit der Software PLAXIS bestätigten die Korrelation zwischen gemessenen und berechneten Werten und zeigten die Genauigkeit der angewandten Methode. Die Studie betont die Bedeutung von Inklinometermessungen und Rückwärtsanalysen für eine zuverlässige Überwachung von Aushubarbeiten und die Optimierung von Stützkonstruktionen.
Gorska, Karolina, and Marek Wyjadłowski. „Analysis of displacement of excavation based on inclinometer measurements“ Studia Geotechnica et Mechanica, vol. 34, no. 4, Sciendo, 2012, pp. 3-16.
“Understanding slow-moving landslide triggering processes using low-cost passive seismic and inclinometer monitoring”
→ Anwendung: Erdrutschvorhersage
Diese Studie untersucht langsam bewegende Erdrutsche durch die Kombination von kostengünstigem passivem seismischen Monitoring und Inklinometermessungen. Die Forschung zeigt, wie Variationen der seismischen Wellengeschwindigkeit und Bodenverformungen zur Vorhersage von Erdrutschreaktivierungen genutzt werden können, wie bei einem Regensturmevent nach einer Dürre beobachtet. Temperaturmessungen enthüllten Wasserinfiltrationsmuster, die zu Erdrutschmechanismen beitragen, wobei seismische und Inklinometerdaten frühe Warnzeichen einer Hangdestabilisierung zeigten. Die Studie demonstriert die Wirksamkeit dieses multimethodischen Ansatzes zur Identifizierung von Erdrutschursachen und zur Entwicklung von Frühwarnsystemen. Zukünftige Verbesserungen umfassen die Optimierung von Sensornetzwerken für breitere Anwendungen und Echtzeitüberwachung.
Sylvain Fiolleau, Sebastian Uhlemann, Stijn Wielandt, Baptiste Dafflon, Understanding slow-moving landslide triggering processes using low-cost passive seismic and inclinometer monitoring, Journal of Applied Geophysics, Volume 215, 2023, 105090, ISSN 0926-9851
10. Elektrochemische Messungen
Elektrochemische Messprinzipien/-verfahren sind Techniken, die die elektrischen Eigenschaften chemischer Substanzen nutzen, um ihre Konzentration oder Reaktivität zu bestimmen. Üblicherweise wird dafür ein Sensor eingesetzt, welcher der zu messenden Substanz als chemischer Reaktionspartner dient. Die gängigen Methoden sind die Potentiometrie, die die Spannung misst, die von einer chemischen Reaktion erzeugt wird, und die Amperometrie, die den Stromfluss bei einer elektrochemischen Reaktion erfasst. Diese Verfahren sind in vielen Bereichen nützlich, von der Umweltüberwachung bis zur medizinischen Diagnostik, da sie empfindlich, genau und oft schnell durchführbar sind.
Wissenschaftliche Veröffentlichungen zu elektrochemischer Messung (ausklappen)
“Non-Destructive Electrochemical Testing for Stainless-Steel Components with Complex Geometry Using Innovative Gel Electrolytes”
→ Anwendung: Edelstahlteile mit komplexer Geometrie
Diese Arbeit untersucht den Einsatz innovativer Gel-Elektrolyte für die zerstörungsfreie elektrochemische Prüfung von Edelstahlkomponenten mit komplexen Geometrien. Die Studie zeigt, dass Agar-Glycerin-Gelelektrolyte, angereichert mit Salzen wie NaCl oder KClO4, effektiv Korrosion an schwierigen Oberflächen wie Schweißnähten und Spalten überwachen können. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass sich die Gele gut an komplexe Formen anpassen, zuverlässige Leitfähigkeit bieten und die Eigenschaften passiver Schichten mittels Techniken wie elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) und Mott-Schottky-Analyse analysieren können. Im Vergleich zu herkömmlichen flüssigen Elektrolyten wiesen die Gele eine geringere Sauerstofflöslichkeit auf, behielten jedoch eine ausreichende Empfindlichkeit zur Erkennung korrosionsanfälliger Bereiche. Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial tragbarer, gelbasierter Systeme für die Vor-Ort-Korrosionsüberwachung in Industrie- und Feldeinsätzen.
Monrrabal, G.; Ramírez-Barat, B.; Bautista, A.; Velasco, F.; Cano, E. Non-Destructive Electrochemical Testing for Stainless-Steel Components with Complex Geometry Using Innovative Gel Electrolytes. Metals 2018, 8, 500.
“Electrochemical Impedance Spectroscopy for the Measurement of the Corrosion Rate of Magnesium Alloys: Brief Review and Challenges”
→ Anwendung: Korrosionsrate von Magnesiumlegierungen
Diese Arbeit gibt einen Überblick über die Nutzung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) als zerstörungsfreie Technik zur Messung der Korrosionsrate von Magnesiumlegierungen. EIS bietet eine hochsensible und reproduzierbare Methode im Vergleich zu traditionellen Ansätzen wie Gewichtsverlust- oder Wasserstoffentwicklungs-Messungen. Die Studie erläutert die Vorteile von EIS, einschließlich der Möglichkeit zur Echtzeit-Überwachung von Korrosionsprozessen und der Erkennung niedriger Korrosionsraten, weist jedoch auf Herausforderungen wie die Dateninterpretation und die Modellierung äquivalenter Schaltungen hin. Es werden Vergleiche zwischen EIS und nicht-elektrochemischen Methoden hervorgehoben, die unter bestimmten Bedingungen gute Übereinstimmungen zeigen. Zukünftige Forschungen konzentrieren sich darauf, Unsicherheiten in der Interpretation von EIS-Daten zu lösen und die Anwendung zur Langzeitüberwachung von Korrosion zu verbessern.
Feliu, S., Jr. Electrochemical Impedance Spectroscopy for the Measurement of the Corrosion Rate of Magnesium Alloys: Brief Review and Challenges. Metals 2020, 10, 775.
“Electrochemical Impedance Spectroscopy: A New Chapter in the Fast and Accurate Estimation of the State of Health for Lithium-Ion Batteries”
→ Anwendung: Zustand von Lithium Batterien
Diese Arbeit untersucht die Anwendung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) zur schnellen und genauen Bestimmung des Gesundheitszustands (SOH) von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs). EIS wird als überlegene zerstörungsfreie Prüfmethode hervorgehoben, da sie interne Alterungsprozesse und Dynamiken durch Impedanzdaten im weiten Frequenzbereich analysieren kann. Zwei Hauptansätze zur SOH-Bestimmung werden diskutiert: Äquivalentschaltkreismodelle (ECMs), die das Batterieverhalten mit elektrischen Komponenten beschreiben, und datengetriebene maschinelle Lernmethoden. Die Studie gibt einen Überblick über neueste Fortschritte in der EIS-Technologie, einschließlich Fourier- und Laplace-Transformationen für schnellere Messungen, und betont die Integration von KI zur Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit und Effizienz. Zukünftige Entwicklungen umfassen die Reduzierung der Gerätekomplexität, die Ermöglichung von Online-Messungen und die Verfeinerung hybrider ECM-ML-Ansätze zur Überwindung von Herausforderungen bei Robustheit und Skalierbarkeit.
Zhang, M.; Liu, Y.; Li, D.; Cui, X.; Wang, L.; Li, L.; Wang, K. Electrochemical Impedance Spectroscopy: A New Chapter in the Fast and Accurate Estimation of the State of Health for Lithium-Ion Batteries. Energies 2023, 16, 1599.
“Frontiers and Challenges in Electrochemical Corrosion Monitoring; Surface and Downhole Applications”
→ Grundlagen und Methoden:
Diese Übersicht befasst sich mit Fortschritten in elektrochemischen Sensoren zur Korrosionsüberwachung in anspruchsvollen Umgebungen wie Öl-Pipelines, maritimen Bereichen und Betonstrukturen. Es werden verschiedene Messmethoden vorgestellt, darunter elektrochemische Impedanzspektroskopie, lineare Polarisationsresistenz und Leerlaufpotentialmessung, die detaillierte Einblicke in Korrosionsraten und -typen bieten. Die Integration fortschrittlicher Materialien wie diamantähnlicher Kohlenstoffbeschichtungen und bor-dotierter Diamanten verbessert die Haltbarkeit und Genauigkeit der Sensoren unter Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen. Fallstudien zeigen erfolgreiche Anwendungen bei der Erkennung von CO2-bedingter Korrosion in Pipelines und mikrobieller Korrosion in maritimen Systemen. Die Arbeit betont die zukünftige Forschung zur Kostensenkung, Erweiterung der Sensorkapazitäten und Nutzung künstlicher Intelligenz für die Echtzeit-Korrosionserkennung.
Khan, A.; Qurashi, A.; Badeghaish, W.; Noui-Mehidi, M.N.; Aziz, M.A. Frontiers and Challenges in Electrochemical Corrosion Monitoring; Surface and Downhole Applications. Sensors 2020, 20, 6583.
“A Review of Non-Destructive Testing for Lithium Batteries”
→ Anwendung: Batterien und Methoden
Diese Übersicht konzentriert sich auf zerstörungsfreie Prüftechniken (NDT) für Lithium-Batterien und betont die Bedeutung von Sicherheits- und Leistungsüberwachung. Zu den wichtigsten NDT-Methoden gehören Ultraschallprüfung (UT), Röntgen-Computertomographie (CT) und Kernspinresonanz (NMR), die jeweils spezifische Stärken bei der Erkennung von internen Defekten, strukturellen Veränderungen und chemischen Prozessen bieten. Die Ultraschallprüfung eignet sich besonders zur Identifizierung mechanischer Probleme wie Risse und Delaminationen, während die Röntgen-CT hochauflösende Bilder von Defekten liefert und die NMR eine detaillierte chemische Analyse von Batteriematerialien ermöglicht. Der Artikel hebt Fortschritte bei der Kombination dieser Methoden mit Technologien wie künstlicher Intelligenz hervor, um die diagnostische Präzision und Effizienz zu verbessern. Zukünftige Forschung zielt darauf ab, die Kosteneffizienz, Skalierbarkeit und Echtzeitüberwachung für eine breite industrielle Anwendung zu steigern.
Gao, J.; Wang, S.; Hao, F. A Review of Non-Destructive Testing for Lithium Batteries. Energies 2024, 17, 4030.