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Open Access
Lateral heat flux reduction using a lock-in thermography compensation method
(2023) Rittmann, Johannes; Kreutzbruck, Marc
The naturally diffusive heat flow in solids often results in differences in surface temperatures. Active thermography (AT) exploits such differences to gain information on the internal structure, morphology, or geometry of technical components or biological specimens. In contrast to sound or light waves, thermal waves are lossy; consequently, it is difficult to interpret measured 2D temperature fields. Most AT evaluation methods are based on 1D approaches, and measured 3D heat fluxes are frequently not considered, which is why edges, small features, or gradients are often blurred. Herein, we present a method for reducing the local temperature gradients at feature areas and minimizing the induced lateral heat flux in optical lock-in thermography (LT) measurements through spatial- and temporal-structured heating. The vanishing lateral gradients convert the problem into a 1D problem, which can be adequately solved by the LT approach. The proposed compensation method can bypass the blind frequency of LT and make the inspection largely independent of the excitation frequency. Furthermore, the edge sharpness and separability of features are improved, ultimately improving the feature-detection efficiency.
Open Access
A mobile nondestructive testing (NDT) system for fast detection of impact damage in fiber-reinforced plastics (FRP)
(2020) Rittmann, Johannes; Rahammer, Markus; Holtmann, Niels; Kreutzbruck, Marc
Impact damage in fiber-reinforced plastics, such as carbon-fiber-reinforced plastics (CFRP) and glass-fiber-reinforced plastics (GFRP), involves high challenges to nondestructive testing (NDT). The anisotropic material structure significantly complicates the interpretation of results in conventional testing. Resonant frequency sweep thermography (RFST) based on local defect resonance combined with well-known ultrasonic thermography enables the fast and simple detection of relevant impact damages. RFST utilizes frequency sweep excitation in the low- and mid-kilohertz range to activate defect resonances with low acoustical power of a few megawatts. Resonances of defects amplify the acoustic vibration amplitude by more than 1 order of magnitude and lead to a significant enhancement of the corresponding thermal signal. This is based on both crack friction and/or visco-elastic heating and can be detected at the part surface by an infrared camera. The defect detection threshold depends on excitation power and the distance between the defect and the ultrasonic source. For this new NDT approach, a first prototype system in the form of a tripod with an integrated infrared (IR) camera and ultrasonic excitation was developed. It stands out due to its simple handling and flexible applications. Augmented reality assists the inspector to interpret the results and mark the defect by projecting the evaluated test result onto the part surface. In this article, the first results from a series of impact damages in CFRP of varying impact energies and crack sizes are presented.
Open Access
Optimierung des örtlichen Auflösungsvermögens in der aktiven Thermografie durch eine Lockin-Kompensationsmethode und der KI-gestützten Invertierung thermischer Wellen
(2024) Rittmann, Johannes; Kreutzbruck, Marc (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
Die aktive Thermografie (TT) nutzt den natürlichen diffusen Wärmefluss, um aus der gemessenen Oberflächentemperatur Rückschlüsse auf die innere Struktur von technischen Bauteilen oder biologischen Proben zu ziehen. Allerdings beeinträchtigt die Diffusion thermischer Wellen und der dadurch induzierte laterale Wärmefluss in Prüfkörpern die herkömmlichen TT-Verfahren, da sie zu einer Verschmierung des Antwortsignals führen. Diese Arbeit widmet sich der Optimierung des örtlichen Auflösungsvermögens in der TT an isotropen Kunststoffen durch zwei Ansätze. In der Lockin-Thermografie-Kompensation (LTC) wird der störende laterale Wärmefluss durch gezielte inhomogene Anregung reduziert, was zu einer quasi 1D-Prüfsituation führt. Dies ermöglicht die sichere und hochauflösende Abbildung von Fehlstellen unabhängig von ihrer Tiefe bis zur thermischen Eindringtiefe, wobei das örtliche Auflösungsvermögen in den betrachteten Anwendungsfällen um mindestens den Faktor 2,2 und im Mittel um mehr als den Faktor 6 verbessert wird. Die Separierbarkeit eng benachbarter Fehlstellen nimmt um den Faktor 4 zu. Der zweite Ansatz verwendet neuronale Netze (NN), um Oberflächentemperaturen nach einer Puls-Thermografie-(PT-)Messung ohne weitere Regularisierungen direkt zu invertieren und in eine 2,5D-Prüfkörperinformation zu überführen. Diese Methode liefert für eine große Anzahl an Datensätzen rauschbehafteter Simulationen beeindruckend genaue Ergebnisse, aber selbst für wenige experimentelle Daten bestehend aus einigen zehn Thermogrammen beträgt das örtliche Auflösungs-vermögen ~2 Pixel bzw. ~0,5 mm bei einer mittleren Abweichung der Tiefenvorhersage von lediglich ~0,4 mm. Diese beiden Methoden demonstrieren die Überwindung herkömmlicher Einschränkungen der TT und ermöglichen die hochauflösende Darstellung von Fehlstellen. Dies eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten für die TT, insbesondere in Prüfsituationen, in denen bisherige Methoden aufgrund ihres begrenzten örtlichen Auflösungsvermögens nicht ausreichend waren. Diese Fortschritte haben das Potenzial, in automatisierten Prüfprozessen verwendet zu werden und etwa die zeitaufwendigen und berührenden Ultraschallprüfungen von kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffen (CFK) zu substituieren. Darüber hinaus eröffnen sich Anwendungsmöglichkeiten im Gesundheitswesen, in der die TT vielversprechende Ergebnisse aufzeigt, bisher jedoch aufgrund eines begrenzten örtlichen Auflösungsvermögens nicht zum Einsatz kommt.