Quantitative phase and dark-field contrast computed tomography for industrial applications on lightweight materials

Abstract

Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine hohe mechanische Festigkeit und Steifigkeit bei relativ geringem Gewicht aus und sind dadurch eine gängige Wahl für Leichtbauanwendungen wie z.B. in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie. Die zerstörungsfreie Prüfung von sicherheitskritischen Komponenten ist dabei von grundlegender Bedeutung, um die hohen Sicherheitsstandards, die in diesen Industrien vorherrschen, zu gewährleisten. Die Röntgen-Computertomographie (XCT) hat sich dazu als leistungsstarke Methode etabliert, um Bauteile dreidimensional und in hoher Auflösung zu visualisieren. Zur effizienten Charakterisierung großer industrieller Bauteile ist die XCT durch ihr limitiertes Sichtfeld jedoch oftmals nur begrenzt einsetzbar sowie Faserverbundwerkstoffe in absorptionsbasierten XCT-Messungen typischerweise schlechte Kontrastverhältnisse aufweisen. Ziel dieser Arbeit ist es einige dieser Einschränkungen durch den Einsatz von Talbot-Lau-Gitterinterferometrie (TLGI) XCT und Radiographie zu überwinden, und damit das Potenzial der Methode für industrielle Anwendungen auszuschöpfen. Durch den Einsatz von TLGI können zwei komplementäre Modalitäten, der differentielle Phasenkontrast (DPC) und der Dunkelfeldkontrasts (DFC), extrahiert werden, welche zusätzliche Information über ein untersuchtes Bauteil liefern. Der DPC weist eine erhöhte Sensitivität zur Unterscheidung von Materialien mit geringer Dichte auf und ist robuster gegen Strahlaufhärtungsartefakte. Der DFC hingegen visualisiert die Röntgenkleinwinkelstreuung, wodurch Strukturen wie Mikrorisse und Porosität kleiner als die Bildauflösung sichtbar gemacht werden können sowie zusätzliche Information über die lokale Orientierung von Mikrostrukturen extrahiert werden kann. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse wurden in vier wissenschaftlichen Publikationen veröffentlicht, die als Guidelines für mögliche industrielle Anwendungen der TLGI dienen sollen. Diese Arbeiten umfassen die Charakterisierung des Faserverbundaufbaus und von Reinharz-Bereichen in Vakuuminfusions-CFK, eine Studie zum Vergleich von Metallartefakten in Absorptions- und Phasenkontrast- XCT, eine neue Methode zur schnellen Detektion und Quantifizierung von Faserwelligkeit sowie eine Studie zur Detektion von Porosität in Cyanatester-CFK unter Berücksichtigung des Einflusses von Variationen in der Probendicke. Mit der Veröffentlichung dieser Arbeiten hoffen wir, die allgemeine Akzeptanz der TLGI zu erhöhen und den zukünftig Einsatz in industriellen Anwendungen zu fördern.

With material properties including high mechanical strength and stiffness at moderate weight, composite materials are commonly selected for applications in the automotive, aerospace, and aeronautics industries. Consequently, the use of composites has been steadily increasing since the early 1980s, with composites currently accounting for roughly 50% of the materials used in modern passenger aircraft by weight. Non-destructive testing of manufactured components is fundamental to ensuring the high safety standards prevalent in these industries. While X-ray computed tomography (XCT) enables high-resolution, three-dimensional visualization, its ability to efficiently examine large industrial components is limited. Alternately, X-ray radiographic testing, while faster, provides only two-dimensional superimposed images with limited material contrast. This thesis examines the potential of Talbot-Lau grating interferometry (TLGI), which measures the differential phase contrast (DPC) and dark-field contrast (DFC) modality, to overcome some of these limitations. DPC imaging enhances sensitivity to low-density materials, such as polymers, and shows reduced sensitivity to beam hardening artifacts. Conversely, the DFC visualizes X-ray small-angle scattering, potentially revealing sub-resolution structures like micro-cracks and porosity. Furthermore, the DFC signal is a function of the orientation of local microstructures and can therefore provide additional insights about fiber orientation in composite specimens. The results achieved during this work were published in four scientific papers, providing guidelines and showcasing possible industrial applications for TLGI. These publications include the characterization of composite layup and resin-rich areas in vacuum infusion CFRP, a comparative study on metal artifacts in attenuation and phase contrast XCT, a new method for fast inspection and quantification of out-of-plane fiber waviness, and a study on the detection of porosity in cyanate ester CFRP considering the influence of variations in specimen thickness. The publication of these works is intended to increase the acceptance of TLGI and to take a step towards its application for industrial needs.