Development and validation of real-time capable reconstruction methods for quantitative active thermography for nondestructive testing of fiber-reinforced composites
Materials in Sintering Processes and Generative Manufacturing Processes
Final Report Abstract
Aktive Thermografie als berührungslose zerstörungsfreie Methode zur Prüfung von CFK-Materialien wird zunehmend attraktiv in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Dabei ist eine quantitative Rekonstruktion typischer Defekte wie Delaminationen, Lufteinschlüsse oder Ondulationen wichtig zur Entscheidungsunterstützung. Ziel des Projektes war, Methoden zur quantitativen Defektrekonstruktion zu entwickeln. Dabei sollten einerseits im Hinblick auf größtmögliche Genauigkeit PDE-basierte Identifizierungsverfahren und andererseits schnelle Heuristiken betrachtet werden. Dazu wurden experimentelle Untersuchungen an unterschiedlich strukturierten CFK-Probekörpern (Epoxid, quasiisotrope und unidirektionale Faseranordnung) mit künstlichen Defekten (Delaminationen, Flachbodenbohrungen, Ondulationen, Faltungen) zu verschiedenen Anregungen (Blitz, Lock-in, Chirp) durchgeführt. Dabei wurde insbesondere die Eignung der Anregungen für die Erkennung verschiedener Defekte untersucht. Mittels Laseranregung wurde die Diffusivität und daraus die Wärmeleitfähigkeit in verschiedenen Richtungen ermittelt und die erwartete Anisotropie quantifiziert. Der Mechanismus der Energieabsorption auf Mikrostrukturebene wurde mit Hilfe von Mikroskop-Experimenten untersucht. Zur numerischen Simulation der aktiven Thermografie mit Finite-Elemente-Methoden wurde ein effizientes analytisch-numerisches Hybridverfahren auf anisotrope Materialien verallgemeinert. Anhand von Simulationsstudien konnte festgestellt werden, dass eine Auflösung der einzelnen Faserlagen quantitativ nicht relevant ist. Die Defektrekonstruktion wurde mit adjungierter Gradientenberechnung und verschiedenen Regularisierungen (L2 und TV) durchgeführt, wobei sich kein wesentlicher Genauigkeitsunterschied zeigte. Insbesondere bei hintereinanderliegenden Delaminationen, typisch für Schlagschäden, ist das Signal-Rausch-Verhältnis gegenwärtig zu gering für eine quantitative Rekonstruktion. Aufgrund der langen Rechenzeiten wurden zeitparallele Optimierungsmethoden entwickelt und eingesetzt. Als schnelle Heuristiken wurden Enveloppenalgorithmen und Deep-Learning-Ansätze untersucht. Die Erweiterung von Enveloppenmethoden auf anisotrope Materialien führte zu einer äußerst befriedigenden Defekterfassung. Dagegen war der Einsatz von konvolutionellen neuronalen Netzen mit moderater Tiefe bislang nicht erfolgreich.
Publications
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(2018) Parallel-in-Time for Parabolic Optimal Control Problems Using PFASST. In: Bjørstad P. et al. (eds) Domain Decomposition Methods in Science and Engineering XXIV. DD 2017. Lecture Notes in Computational Science and Engineering, vol 125 S. 363–371
Bjørstad, Petter E.; Brenner, Susanne C.; Halpern, Lawrence; Kim, Hyea Hyun; Kornhuber, Ralf; Rahman, Talal; Widlund, Olof B.
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Quantitative Defect Reconstruction in Active Thermography for Fiber-Reinforced Composites. Proc. 19th World Conference on NDT, Munich, 2016, th4C4, 1-10
Götschel, S., Maierhofer, C., Müller, J. P., Rothbart, N., Weiser, M.
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Determining the Material Parameters for the Reconstruction of Defects in Carbon Fiber Reinforced Polymers from Data Measured by Flash Thermography. AIP Conference Proceedings 1806, 100006 (2017)
Müller, J. P., Götschel, S., Maierhofer, C., Weiser, M.
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Thermografie mit optimierter Anregung für die quantitative Untersuchung von Delaminationen in kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen. Tagungsband DGZfP Jahrestagung 2017, 22.-24. Mai 2017, Koblenz, DGZfP BB 162
Müller, J.P., Götschel, S., Weiser, M., Maierhofer, C.
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Lossy data compression reduces communication time in hybrid time-parallel integrators. Comput. Vis. Sci., 19(1):19-30 (2018)
Fischer, L., Götschel, S., Weiser, M.
