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.