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Main Title: Quantifizierung von Fehlstellen in teiltransparenten Festkörpern mittels der Impulsthermografie
Translated Title: Quantification of defects in semitransparent solids by means of impulse thermography
Author(s): Bernegger, Raphael Kim
Advisor(s): Reimers, Walter
Referee(s): Reimers, Walter
Skrotzki, Birgit
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die Impulsthermografie (PT) gehört zu den zerstörungsfreien Prüfverfahren und wird für die Detektion und Quantifizierung von verdeckten Fehlstellen in einem Bauteil eingesetzt. Bei Materialien, die im Wellenlängenbereich der optischen Anregungsquelle und der Infrarot(IR)-Kamera teiltransparent sind, z.B. glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK), können die bestehenden Auswertemethoden der PT nicht angewendet werden, da diese auf mathematischen Modellen basieren, die opake Materialien beschreiben. Somit muss derzeit für die Quantifizierung der Tiefe von Fehlstellen in teiltransparenten Prüfobjekten die Prüfobjektoberfläche schwarz beschichtet werden. Da dies im realen Anwendungsfall oft unerwünscht ist, ist das Ziel dieser Arbeit, neue thermografische Auswertungstechniken zu entwickeln, mit denen die Quantifizierung von Fehlstellen in teiltransparenten Festkörpern ohne eine Oberflächenschwärzung erfolgen kann. Hierfür werden bereits bekannte mathematische Modelle zur Beschreibung von PT-Experimenten erweitert und auf teiltransparente Materialien mit Fehlstellen angepasst, sodass durch eine Rekonstruktion der Messdaten mit Hilfe dieser neuen Modelle die Tiefe von realen Delaminationen in GFK bestimmt werden kann, ohne dabei die Bauteiloberflächen zu beschichten. Bei thermografischen Messungen an teiltransparenten Materialien empfängt eine IR-Kamera Strahlung nicht nur von der Materialoberfläche, wie bei opaken Materialien, sondern zusätzlich aus dem Volumen. Für die Rekonstruktion von PT-Experimenten an teiltransparenten Materialien wird für die mathematische Modellierung der IR-Kamera nur das Temperaturfeld und nicht das Strahlungsfeld berücksichtigt. Durch einen Vergleich zwischen der bisher üblichen mathematischen Modellierung und der neu entwickelten Modellierung der IR-Kamera, die das Strahlungsfeld berücksichtigt, konnte gezeigt werden, dass bei Vernachlässigung des Strahlungsfeldes die Modellparameter (absorbierte Energie und die Absorptionskoeffizienten) bei der Rekonstruktion beeinflusst werden können, welche die Heizphase eines PT-Experiments bestimmen. Dies zeigt, dass die übliche Modellierung im betrachteten Anwendungsfall zwar unter Verwendung effektiver Modellparameter eingesetzt werden kann, die zugrundeliegende Physik aber unzureichend abbildet. Ein weiterer wichtiger Faktor für die vollständige Modellierung einer IR-Kamera ist die spektrale Empfindlichkeit des IR-Kamerasystems. Da diese im Allgemeinen nicht bekannt ist, wurde unter Verwendung von Bandpassfiltern, einem Schwarzkörperstrahler und einem mathematischen Modell ein neues praxisnahes Verfahren entwickelt, mit welchem die spektrale Empfindlichkeit von beliebig komplexen IR-Kamera-Gesamtsystemen charakterisiert werden kann. In dieser Arbeit konnte durch die Rekonstruktion der Messdaten von PT-Experimenten mit monochromatischer Anregungsquelle an teiltransparenten Probekörpern mithilfe mathematischer Modelle gezeigt werden, dass die verwendeten 1D-Modelle, die bisher nur für homogene Materialien verwendet wurden, auch für heterogene Materialien wie z.B. GFK geeignet sind. Dazu muss jedoch die Modellierung der Absorption über zwei effektive Absorptionskoeffizienten (für verschiedene Materialanteile) erfolgen. So konnten die Diffusivität und die Absorptionskoeffizienten in verschiedenen Messkonfigurationen mit den jeweils geeigneten Modellen bestimmt werden. Mit den hier entwickelten numerischen Modellen konnte nachgewiesen werden, dass die Quantifizierung der Breite und Tiefe von künstlichen (Nuten) und realen (Delaminationen) Fehlstellen in teiltransparenten Materialien auch ohne zusätzliche Beschichtungen bestimmt werden kann.
Pulsed thermography (PT) is one of the non-destructive testing methods and is used for the detection and quantification of hidden defects in a component. For materials that are semitransparent in the wavelength range of the optical excitation source and the infrared (IR) camera, e.g. glass fiber reinforced plastic (GFRP), the existing PT evaluation methods cannot be applied, as these are based on mathematical models describing opaque materials. Thus, to currently quantify the depth of defects in semi-transparent specimens, the specimen surface has to be coated black. Since this is often undesirable in real applications, the aim of this work is to develop a new thermographic evaluation technique that can be used to quantify defects in semi-transparent specimens without surface blackening. For this purpose, already known mathematical models for the description of PT experiments are extended and adapted to semitransparent materials with defects so that the depth of real delaminations in GFRP can be determined by reconstructing the measured data with these new models and without coating the specimen surfaces. For thermographic measurements on semi-transparent materials, an IR camera receives radiation not only from the material surface, as with opaque materials, but also from the volume. For the reconstruction of PT experiments on semi-transparent materials, only the temperature field and not the radiation field is considered for the mathematical modeling of the IR camera. By comparing the previously used mathematical modeling with a newly developed model of the IR camera, which takes the radiation field into account, it could be shown that when the radiation field is neglected, the model parameters (absorbed energy and the absorption coefficients), which determine the heating phase of a PT experiment, can be influenced during the reconstruction. This shows that the usual modeling using effective model parameters can be applied in the considered application, but it inadequately represents the underlying physics. Another important factor for the complete modeling of an IR camera is the spectral sensitivity of the IR camera system. Since this is generally unknown, a new practical method was developed using bandpass filters, a blackbody radiator, and a mathematical model to characterize the spectral response for arbitrarily complex IR camera systems. In this work, by reconstructing measured data from PT experiments with a monochromatic excitation source on semi-transparent specimens by means of mathematical models, it was shown that the 1D models used so far only for homogeneous materials are also suitable for heterogeneous materials such as GFRP. However, this requires modeling the absorption using two effective absorption coefficients (different material portions). In this way, the thermal diffusivity and absorption coefficients could be determined in different measurement configurations using the appropriate models in each case. By using the numerical models developed in this study, it demonstrates that the quantification of the width and depth of simulated (notch) and real (delaminations) defects in semi-transparent materials can be determined even without additional surface coatings.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12942
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11741
Exam Date: 24-Mar-2021
Issue Date: 2021
Date Available: 26-Apr-2021
DDC Class: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): Teiltransparent
Impulsthermografie
mathematisches Modell
Delamination
GFRP
semitransparent
pulsed thermography
mathematical model
delamination
GFK
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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