Multi-dimensional photothermal defect reconstruction in anisotropic media

Abstract

Um höhere Nutzlasten, größere Reichweiten und einen geringeren Treibstoffverbrauch zu erzielen, ist die Luftfahrtindustrie bestrebt, das Gewicht von Flugzeugstrukturen zu reduzieren. Dieses Bestreben hat die Entwicklung von künstlichen Verbundstrukturen vorangetrieben, und heutzutage bestehen moderne Flugzeugstrukturen bereits zu 50 Prozent aus faserverstärkten Kunststoffen. Faserverstärkte Kunststoffe sind sehr anfällig für Schlagschäden, da diese die mechanischen Eigenschaften der Verbundstruktur erheblich beeinträchtigen. Schlagschäden können sicherheitskritische Defekte wie Delaminationen in der Verbundstruktur verursachen. Um sicherheitskritische Defekte zu detektieren, sind hochentwickelte zerstörungsfreie Prüfmethoden, wie beispielsweise die aktive Thermografie, notwendig. Zur wirtschaftlichen Bauteilprüfung benötigt die Industrie zuverlässige und schnelle zerstörungsfreie Prüfmethoden. Grundsätzlich können diese Anforderungen durch die Prüfung mittels aktiver Thermografie erfüllt werden, die zudem eine berührungslose zerstörungsfreie Prüfmethode darstellt. Ein Nachteil dieser Prüfmethode ist jedoch die deutliche Abnahme der örtlichen Auflösung mit zunehmender Abbildungstiefe, wodurch unscharfe Defektabbildungen entstehen. Zudem erlauben die existenten Rekonstruktionsverfahren der aktiven Thermografie, insbesondere bei anisotropen Materialien und unter der Berücksichtigung des lateralen Wärmeflusses, keine 3D Defektvisualisierung. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur aktiven Thermografie-Datenauswertung, das sogenannte virtuelle Wellenkonzept, für die Anwendung auf anisotrope Materialien und für photothermische Temperatursignale erweitert. Darüber hinaus wird die Abnahme der räumlichen Auflösung mit zunehmender Abbildungstiefe durch die Einbindung von Vorinformationen in das Regularisierungsverfahren, wie zum Beispiel Positivität und Sparsity (bezeichnet dünnbesetzte Matrizen), teilweise kompensiert. Zudem wird ein neuartiger Ansatz für die Bestimmung des anisotropen thermischen Diffusivitäts-Tensors vorgeschlagen, und ein mathematischer Zusammenhang dieses Tensors mit dem Tensor der virtuellen Schallgeschwindigkeiten hergeleitet. Mithilfe dieses Zusammenhanges kann der anisotrope Wärmefluss entzerrt werden, wodurch eine 3D Defektvisualisierung und Defektrekonstruktion in faserverstärkten Kunststoffen ermöglicht wird. Das vorgeschlagene 3D Rekonstruktionsverfahren wird auf kohlenstofffaserverstärkte Materialien mit künstlichen Defekten, abgebildet durch Flachbodenbohrungen, und auf reale Defekte, abgebildet durch Delaminationen, angewendet. Zusammenfassend stellt diese Dissertation ein schnelles, leicht interpretierbares 3D Rekonstruktionswerkzeug zur photothermischen Defekterkennung in anisotrope Materialien vor.

To enable higher payloads, longer ranges and lower fuel consumption, the aviation industry is striving to reduce the weight of aircraft structures. This ambition has boosted the development of man-made composite structures, and today modern aircraft structures already consist of 50 percent fiber-reinforced polymers. Fiber-reinforced polymers are highly susceptible to impact damage, which significantly affects the mechanical properties of the composite structure. Impact damage can cause safety-critical subsurface defects such as delaminations in the composite structure. Advanced non-destructive testing methods such as active thermography are necessary to reveal safety critical defects. The industry requires reliable and fast non-destructive testing methods for economical part inspection. In principle, these requirements can be met by active thermography testing, which is also a contactless non-destructive testing method. However, a drawback of this method is the significant decrease in spatial resolution with increasing imaging depth, which results in blurred images. In addition, current active infrared thermography methods are lacking in 3D representation of subsurface defects or do not account for lateral heat flow. In this thesis, a new approach for active thermography data evaluation, called the virtual wave concept, is extended for application to anisotropic materials and for photothermal temperature signals. Moreover, the degradation of spatial resolution with increasing imaging depth is partially compensated by incorporating prior information such as positivity and sparsity into the regularization procedure. In addition, a novel approach for the estimation of the anisotropic thermal diffusivity tensor is proposed, which enables the rectification of the anisotropic heat flux and a 3D visualization of subsurface defects in fiber-reinforced samples. The proposed 3D reconstruction method is applied to carbon fiber reinforced materials with artificial defects, represented by flat bottom holes, and to real defects, represented by delaminations. To summarize, this doctoral thesis presents a fast, easily interpretable 3D reconstruction tool for photothermal subsurface defect detection in anisotropic media.