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By automatically recording as much information as possible in automated laboratory setups, reproducibility and traceability of experiments are vastly improved. This presentation shows what such an approach means for the quality of experiments in an X-ray scattering laboratory and an automated synthesis set-up.
Im Rahmen des 2. BAM-Akademie Info-Tages "Nano or not Nano" wurde die OECD TG 124 "Volume Specific Surface Area of Manufactured Nanomaterials" vorgestellt.
Der Vortrag beschreibt die Bestimmung der spezifischen Oberfläche von dispersen und/oder porösen Pulvern mittels Gasadsorption nach dem BET-Verfahren.
Es wird auf die Anwendbarkeit der Methode eingegangen und es werden praktische Hinweise zur Probenvorbereitung und Messung von Nanomaterialien gegeben.
Several studies have been shown that the electron beam can be used to create nanomaterials from microparticle targets in situ in a transmission electron microscope (TEM). Here, we show how this method has to be modified in order to synthesize plasmonic gold nanoparticles (NPs) on insulating silicon oxide substrate by employing a scanning electron microscope with a comparatively low acceleration voltage of 30 kV. The synthesized NPs exhibit a random distribution around the initial microparticle target: Their average size reduces from 150 nm to 3 nm with growing distance to the initial Au microparticle target. Similarly, their average distance increases. The synthesized NP assemblies therefore show distinctly different plasmonic behaviour with growing distance to the target, which allows to study consequences of random hybridization of surface plasmon in disordered system, such as Anderson localization. To reveal the surface plasmons and their localization behaviour we apply electron energy loss spectroscopy in the TEM.
Organotin compounds (OTCs) have been widely used in anti-fouling paints, pesticide formulations, and as stabilizers in polyvinyl chloride over the past century. In marine ecosystems, OTCs can cause severe damage to biodiversity, leading up to the extinction of vulnerable species. Due to the extensive use of tributyltin (TBT) as a biocide on ship hulls, it has been considered one of the most hazardous substances intentionally introduced into the aquatic environment. This resulted in a global ban on TBT-containing products in the 2000s. However, recent studies indicate the emerging presence of organotin pollutants.
OTCs are known to persist and accumulate in marine sediments, posing a long-term threat to the environment. These harmful substances can be set free and dispersed even after several decades. Therefore, analyzing sediment probes is imperative for a thorough monitoring of pollution. However, species-specific analysis of OTCs at required concentration levels in complex environmental matrices remains challenging. Chromatographic systems are commonly used for their analysis, but the required sample preparation is time-consuming and prone to contamination and analyte loss. The coupling of electrothermal vaporization and inductively coupled plasma-mass spectrometry (ETV/ICP-MS) demonstrates high potential as a rapid, convenient, and chemical-saving scanning tool for environmental samples.
This method enables the direct on-line fractionation of organic compounds from an inorganic fraction and provides element-specific detection at ultra-trace levels without complex sample preparation. Since OTCs are generally more toxic than ionic or elemental tin, analyzing them as a sum parameter is advantageous. Additionally, the determination of both organic and inorganic tin, rather than just organic tin, reveals valuable information about the fate of OTCs. The main challenge in obtaining accurate quantitative data using direct solid sampling techniques like as ETV/ICP-MS is applying a suitable calibration strategy. Our isotope dilution approach overcomes matrix effects in ETV/ICP-MS analysis and is compatible with commercial systems.
X-rays without X-rays: Can muon tomography provide pictures from within concrete and other objects?
(2024)
Until the 1980s radiography was used to inspect civil structures in case of special demands and showed a much better resolution than other NDT techniques. However, due to safety concerns and cost issues, this method is almost never used anymore. Meanwhile, non-destructive techniques such as ultrasound or
radar have found regular, successful practical application but sometimes suffer from limited resolution and accuracy, imaging artefacts or restrictions in detecting certain features when applied to reinforced or prestressed concrete inspection.
Muon tomography has received much attention recently. Muons are particles generated naturally by cosmic rays in the upper atmosphere and pose no risk to humans. Novel detectors and tomographic imaging algorithms have opened new fields of application, mainly in the nuclear sector, but also in spectacular cases such as the Egyptian pyramids.
As a first step towards practical application in civil engineering and as a proof of concept we used an existing system to image the interior of a reference reinforced 600 kg concrete block. Even with a yet not optimized setup for this kind of investigation, the muon imaging results have been at least of similar quality compared to ultrasonic and radar imaging, potentially even better. Recently, the research was expanded to more realistic testing problems such as the detection of voids in certain structural elements. However, before practical implementation, more robust, mobile, and affordable detectors would be required as well as user-Friendly imaging and simulation software.
The talk also discusses other applications , such as volcanology, mining and geothermal exploration.
Ultrasonic echo testing is a well-established non-destructive testing technique used to investigate the interior of concrete structures in civil engineering. For the reconstruction of internal features, methods similar to seismic imaging are applied. To improve the ultrasonic imaging capabilities, we investigate the potential of a newly available 3D matrix mode measurement device in combination with advanced imaging techniques.
Commonly used ultrasonic array measurement devices rely on several ultrasonic transducers coupled to act as one transducer that transmits or receives transversal ultrasound waves. Although this approach is well suited to detect elongated structures such as pipes and rebars, it has limitations if 3D embedded objects are present. Hence, the ultrasonic device MiraA1040Pro used here is designed to measure the ultrasonic wavefield on a 4 by 16 matrix of individual transducers. For testing, we used laboratory specimens with linear and spheric embedded structures first. Both linear and matrix mode measurements were conducted and analysed using the Synthetic Aperture Focusing Technique
(SAFT) which is similar to Kirchhoff migration. Second, we used a data set from Teutschenthal mine at a shotcrete specimen constructed to simulate engineered barriers tailored for nuclear waste repositories. Ultrasonic measurements were investigated as a tool for quality assurance of these structures. The specimen contains both artificial 3D artifacts as well as naturally occurring defects such as a delamination. To make use of the advanced data acquisition, focusing 3D imaging techniques are applied to further improve the imaging quality.
Generally, the reconstructed images from the 3D matrix mode data have a lower level of Signal-to-Noise-Ratio than the 2D linear mode because the source signal is weaker compared to the linear mode. Moreover, complex wave conversions of the SH-transversal wave occur that are reduced in the 2D linear scenario. However, clearer images can be achieved at non-linear features, particularly with focusing imaging methods. Thus, combining 3D data acquisition techniques with advanced imaging methods improves the success in imaging complex concrete structures. This is of particular interest for thick concrete structures in nuclear barrier systems or foundations. Additionally, we demonstrate opportunities to use well-constrained test laboratory scenarios from non-destructive testing as a practical test case for geophysical methods.
Entwicklung einer flexiblen Datenablage zur sicheren Speicherung von Bauwerksdaten - "CASPAR"
(2024)
Bestandsunterlagen von älteren Bauwerken sind bezüglich einer rechnerischen Zustandsbewertung häufig nur in einem unzureichenden Umfang verfügbar. Dies gilt sowohl für den privaten als auch für den öffentlichen Bereich. Der Wert von Bestandsunterlagen für Gebäude oder Brücken ist Vielen nicht bekannt. Soll jedoch der aktuelle Zustand von Bauwerken bewertet, sollen Restlebensdauern abgeschätzt oder soll umgebaut werden, stellen Bestandsunterlagen die Grundlage dafür dar. Liegen diese nicht vor, so muss die Bauweise des Bauwerkes kostenintensiv nachvollzogen und mit nachträglichen Untersuchungsverfahren bewertet werden. Vor allem ist dies darauf zurückzuführen, dass die Aufbewahrung der Bestandsunterlagen dem Bauherrn obliegt und diese meist in Papierform vorliegen und dann bei Umzügen, Betriebsschließungen, Eigentümerwechsel etc. verloren gehen.
Die Digitalisierung im Bauwesen bietet hier Möglichkeiten diese Probleme künftig zu vermeiden. Bereits heute nimmt die digitale Planung im Bauwesen eine immer größere Rolle ein. Mehr und mehr Bauvorhaben werden schon jetzt in sogenannten BIM Modellen (Building Information Modelling) geplant. Um die Akzeptanz einer digitalen Lösung zu gewährleisten muss die Vertrauenswürdigkeit von Daten auch langfristig garantiert sein. Naturgemäß unterliegen Erkenntnisse, die aus Daten gewonnen werden, häufig vielen Prozessschritten mit unterschiedlichen Beteiligten. Es lässt sich vor dem Hintergrund der üblichen Lebensdauern von Bauwerken leicht erkennen, dass es schwierig ist diese Prozesskette, von der Datenerhebung bis zur teilweise jahrzehnte späteren Nutzung, beweissicher und rückführbar zu gestalten. Diese Attribute sind es aber, die die Vertrauensbasis für die Qualität und somit auch die Akzeptanz von digitalisierten Daten bilden. Im Projekt „CASPAR“ erarbeiten wir eine mögliche technologische Grundlage, um Bauwerksdaten langfristig und manipulationssicher zu speichern.
Der Vortrag behandelt den Stand der Technik bei der zerstörungsfreien Prüfung von Betonkonstruktionen und insbesondere den Stand und die Herausforderungen bei der Digitalisierung. Es werden Prüfaufgaben sowie etablierte Prüfmethoden und die passende Auswahl diskutiert. Ein weitere Schwerpunkt liegt bei der Genauigkeit und Verlässlichkeit und dem Konzept ZfPStatik. Abschließend werden Schnittstellen zu BIM, SIB-Bauwerke und anderen System kurz angerissen und ein Katalog offener Fragen aufgestellt.
Im Rahmen der von der BAM und anderen Partnern ins Leben gerufenen Initiative „Digitale Qualitätsinfrastruktur“ liegt der Fokus u.a. auf der Entwicklung von neuen Zertifizierungsworkflows. Dabei ist eine besondere Bedeutung dem Zusammenführen von Operational Technology (OT) und Informationstechnik (IT) beizumessen. Zur Datenintegration aus der Sensor-Feldebene einer Versuchs-wasserstofftankstelle wurde eine solche Infrastruktur zunächst in einer Laborumgebung aufgebaut.
What does GD-OES reveal about the aging and manufacturing processes of lithium-ion batteries?
(2024)
Glow-Discharge Optical Emission Spectroscopy (GD-OES), a powerful analytical technique, sheds light on the two critical aspects of lithium-ion batteries (LIBs): manufacturing and aging 1, 2. We optimized cell production in manufacturing by adjusting parameters, including cathode doping, electrolyte concentration, and pressing force. GD-OES provided in-depth elemental composition and homogeneity analysis, which is crucial for identifying optimal manufacturing conditions. These findings were validated by electrochemical impedance spectroscopy, confirming the quality of the manufactured batteries.
Shifting the focus to aging, we use GD-OES for fluorine depth profiling, a key element in understanding polymer and electrolyte degradation. However, fluorine presents analytical challenges. We addressed this by substituting argon with a neon:argon mixture, which significantly enhanced fluorine detection sensitivity. This advancement not only improves accuracy but also holds the potential to guide sustainable and cost-efficient manufacturing strategies.
Through its versatility, GD-OES has proven to be a powerful tool for not only optimizing LIB manufacturing processes but also gaining deeper insights into their aging mechanisms. This research extends beyond academic interest, offering tangible benefits for the industry by translating into improved battery quality, extended lifespan, and overall performance.
Volatile organic compounds (VOCs) emitted by furniture and building materials can cause health issues. For an improvement of indoor air quality low emitting materials should be used. Quality assurance and –control (QA/QC) measures require an emission reference material (ERM) with a predictable emission rate of VOCs. The idea is to use porous materials as ERM, which store the VOCs inside their pores and emit them constantly.
Ground Granulated Blast-Furnace Slag (GGBFS), a by-product of the iron-making process, has gained significant attention as a supplementary cementitious material and has become increasingly popular in recent years due to its remarkable properties. GGBFS can significantly reduce the environmental impact of cement production when it comes to building concrete structures. GGBFS can either be blended with ordinary Portland cement (OPC) (up to a 90% replacement), or it can be used in the production of alkali-activated materials (AAMs). However, a comprehensive understanding of the pore solution composition is necessary for understanding various aspects of cementitious materials and their durability, including corrosion behavior, passivation of steel, and resistance to deteriorative processes. In the present work, the pore solutions of seven different GGBFS-containing cements (alkali-activated slag, alkali-activated slag/fly ash blends, a hybrid alkaline cement, CEM III/C, and CEM III/B) were extracted and analysed by inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy, ion chromatography, pH, redox potential, and conductivity measurements. For comparison, a Portland cement pore solution was analysed similarly. The Concentrations of reduced sulfur were noteworthy in all GGBFS-containing cements, particularly in alkali-activated cements, where concentrations were notably higher compared to standard cements. The redox potentials of the pore solutions were primarily dictated by the concentrations of reduced sulfur, although other factors may contribute. Additionally, sulfur species in the pore solutions had an impact on pH, electrical conductivity, and other properties pertinent to the corrosion of reinforcements.
The heat-resistant cast iron EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S) was investigated for its fatigue crack growth behavior at room and high temperatures. Force-controlled tests were carried out at constant temperatures (20 °C, 500 °C, 700 °C) without and with hold time and different load ratios. The crack growth behavior was also characterized under TMF loading (Tmin = 400 °C, Tmax = 700 °C) by applying IP and OP conditions and different load ratios. Three different techniques were combined to monitor crack growth: potential drop, thermography, and compliance method. The effect of the different loading conditions on the fatigue crack growth behavior will be presented and discussed.
Es werden die Ergebnisse eines mehrjährigen Forschungsvorhabens der BAM in Zusammenarbeit mit Straßenbauverwaltungen der Länder und Industriebeteiligten zur betriebstechnischen Ausrüstung von Straßentunneln präsentiert. Schwerpunkte waren die Bestimmung der Korrosivität der Atmosphäre von 3 ausgewählten Straßentunneln, die Analyse korrosionsrelevanter Ablagerungen und von Klimadaten. Die Auswirkungen dieser Einflussgrößen auf die Dauerhaftigkeit von Konstruktionen aus nichtrostenden Stählen wurde ermittelt und in Abhängigkeit verschiedener Einflussparameter dargestellt. Die Ergebnisse der systematischen Untersuchungen an Prüfköpern decken sich mit Beobachtungen an realen Bauteilen. Spaltbehaftete Konstruktionen aus Werkstoffen der CRC III führen demnach in Zeiträumen zwischen 10 und 15 Jahren zu Korrosionserscheinungen, welche die technische Sicherheit beeinträchtigen können und die erwartete Dauerhaftigkeit nicht erfüllen. Die Folge sind zusätzliche Sperrungen und ein vorzeitig notwendiger Unterhaltsaufwand, die erhebliche Kosten verursachen. Im Ergebnis ist eine Überarbeitung des aktuellen Regelwerkes erforderlich, um die angestrebte Dauerhaftigkeit von 30 Jahren zu gewährleisten.
Interactions between a polymer and a substrate interface play a vital role in understanding the improvement in thin film material properties as well as serving as a model for nanocomposites. For any non-repulsive polymer-substrate interactions, polymer segments form an irreversibly adsorbed layer and show a slowdown in the glassy dynamics and thus an increase in the thermal glass transition temperature compared to the bulk-like values. The growth kinetics of the adsorbed layer showed a deviation for both poly (bisphenol-A carbonate) (PBAC) and polysulfone (PSU), two bulky polymers containing a functional group (phenyl ring) in the backbone, compared to conventional polymers previously studied like poly-2-vinyl pyridine (P2VP). This deviation was attributed to the bulkiness of the phenyl rings. . Further investigations into the influence of the adsorbed layer on glassy dynamics were conducted. The molecular mobility and glass transition for thin films of PBAC and PSU were compared to bulk samples of each polymer. Broadband dielectric spectroscopy, atomic force microscopy, and ellipsometry were primarily used and additionally supported by sum frequency generation spectroscopy.
Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.
Aerosolemissionen ausgewählter Pyrotechnik - Gefährdungsabschätzung bei missbräuchlicher Verwendung
(2024)
Der Vortrag beschreibt die Ergebnisse von Messungen zur Freisetzung von Aerosolen beim Abbrand pyrotechnischer Gegenstände. Vor dem Hintergrund einer missbräuchlichen Verwendung (wie etwa in Fußballstadien) wird auf die speziellen Gefährdungen hingewiesen. Freigesetzte Partikel haben Größenbereiche von deutlich kleiner 100 nm und sind damit besonders alveolengängig.
This study aims to represent an approach for transferring the materials testing datasets to the digital schema that meets the prerequisites of the semantic web. As a use case, the tensile stress relaxation testing method was evaluated and the testing datasets for several copper alloys were prepared. The tensile stress relaxation testing ontology (TSRTO) was modeled following the test standard requirements and by utilizing the appropriate upper-level ontologies. Eventually, mapping the testing datasets into the knowledge graph and converting the data-mapped graphs to the machine-readable Resource Description Framework (RDF) schema led to the preparation of the digital version of testing data which can be efficiently queried on the web.
An Amorphous Lewis-acidic Zirconium Chlorofluoride as HF Shuttle: C-F Bond Activation and Formation
(2024)
In recent years, fluorine chemistry has gained increasing political attention. Owing to a growing shortage of fluorspar, a raw material used for producing fluorinated base chemicals, fluorospar has been named among the 30 critical raw materials in the EU.2 As such, it becomes increasingly important to recycle existing fluorinated compounds and make them available as sources of fluorine for reactions. Significant progress has been made in the field of C-F bond activation using heterogeneous catalysts such as aluminum chlorofluoride (ACF).3–5 However, the transfer of fluorine atoms from one molecule to another using heterogeneous catalysts has not yet been reported. In this study, we successfully synthesized amorphous zirconium chlorofluoride (ZCF), and we were able to establish a catalytic behavior of ZCF in C-F bond activation reactions. We present a heterogeneous catalyst that performs dehydrofluorination of a fluoroalkane and consecutive hydrofluorination of an alkyne at room temperature.
In this presentation, the results of the determination of the diffraction and single-crystal elastic constants of laser powder bed fused Inconel 718 are presented. The analysis is based on high-energy synchrotron diffraction experiments performed at the Deutsches Elektronen-Synchrotron. It is shown that the characteristic microstructure of laser powder bed fused Inconel 718 impacts the elastic anisotropy and therefore the diffraction and single-crystal elastic constants. Finally, the consequences on the diffraction-based residual stress determination of laser powder bed fused Inconel 718 are discussed.
The ongoing geo-political conflicts and the increasing need for the implementation of measures to improve the energetic system sustainability are increasing the importance of tanks for storing cryogenic fluids in the energy industry. The most common example of cryogenic tank applications is the transport of natural gas and hydrogen in their liquid form (LNG and LH2 respectively) for which, considering the same transport volume cryogenic storage ensures significantly higher transport capacities with respect storage based solely on overpressure.
A common feature of all cryogenic transported fluids is that their condition must be maintained minimizing heat leaks from the environment as much as possible. This is achieved by the implementation of thermal super Insulations (TSI) systems based on e. g. rock wool, perlites, microspheres, multilayer insulations (MLI), and vacuum which have proven to be effective in applications. However, due to the relatively short period of use in some applications, the small number of documented incidents, and the still few investigations carried out in the field, the exploitation of such systems in the cryogenic fluids transport sector still suffers from insufficient knowledge about the course and consequences of incidents. Accidents involving collisions, fires, and their combination are quite common in the transportation sector and may generate extraordinary loads on the tank and its insulation system, eventually leading to tank failure.
The present study focuses on the behavior of TSI systems in tanks when it is exposed to an external heat source representative of a hydrocarbon fire scenario. This may cause an increase of the heat flux into a tank by several orders of magnitude with respect to normal design conditions, thus inducing severe and in the TSI, causing the rapid release of flammable gas and even resulting in a Boiling Liquide Expanding Vapour Explosion (BLEVE).
To study such scenarios a test rig was developed at BAM that allows testing of TSI at industrial conditions and enables subsequent analysis of TSI samples. This test rig considers the typical double-walled design of tanks for cryogenic fluids with vacuum and an additional insulating material in the interspace. Adjustable electrical heating elements simulate the fire on one side of the double wall. This process allows the implementation of repeatable heat loads of up to 100 kW/m². The other side of the double wall is represented by a fluid-supported heat exchanger, which allows the simulation of cold or cryogenic conditions in the test rig, and to determine the heat flux transmitted through the double wall. Thus, the test rig allows thermal loading and performance analysis of TSI samples at the same time.
In the presentation, the results of diverse tested TSI systems will be presented and discussed. As a result of this study, the list of advantages and disadvantages for the choice of tested TSI expands. Within the test, all samples degraded as a consequence of a hydrocarbon fire-orientated thermal load. Strong differences in the behavior of the tested TSI systems over temperature, location, and time were observed. Additionally, the tested MLI insulations were significantly more resistant to their base materials. These results are relevant for the design, the definition of national and international regulations, the Risk assessment, and the development of safety concepts for cryogenic tanks.
Der Wasserstofftransport auf der Straße ist wichtig und wird wie der noch geringe Transport auf der Schiene weiter stark zunehmen. Die bisherige Effizienzsteigerungen sind über Werkstoff- und Designänderungen vom Vollstahl über umfangsumwickelte Stahl- bis zu Compositespeichern mit Kunststofflinern erfolgt.
Hinzu kam die auf Basis der BAM-GGR 022 an Vorbedingungen geknüpfte Prüffristverlängerung von 5 auf 10 Jahre. Die wiederkehrende Prüfung von großen Transporteinheiten bedeutet jedes Mal einen Stillstand von gut 8 Wochen. Entsprechend steht mit Blick auf die weitere Effizienzsteigerung die Reduktion des Prüfaufwands im Fokus.
Eine Effizienzsteigerung kann nach aktueller Rechtslage geschehen, indem die hydraulische Prüfung auf eine Gasdruckprüfung umgestellt wird. Dies könnte zukünftig mit geeigneten Arbeitsschutzmaßnahmen pneumatisch durchgeführt werden – auch ohne Rechtsänderung.
Ein deutlich größerer Schritt in Richtung Verbesserung des Aufwands- zu Nutzenverhältnis ließe sich erreichen, indem die zerstörungsfreie Prüfung nicht mehr nur als Arbeitsschutz-motiviertes, begleitendes, sondern als zentrales Prüfverfahren ausgebaut wird. Gerade wenn – wie für die Schallemissionsanalyse erwartet – eine relativ gute Abschätzung des Berstdruckes möglich ist, könnte auf die 100%-Prüfung verzichtet werden und bis zu einem kritischen Alter nur auf Stichprobenprüfung basieren, was allerdings erhebliche Rechtsänderung erfordert und auch neue Werkezuge der Informationsverwaltung.
Als Vorlage für einen praktischen Ansatz zur Rechtsänderungen inkl. Informationsverwaltung wird auf die SV 674 in Verbindung mit 6.2.3.5.3ff ADR/RID verwiesen. Dies kombiniert mit einer digitalen Lebenslaufakte, die auf der digitalen Qualitätssicherung (QI-digital) beruht, wäre ein mächtiges Werkzeug für eine Verbesserung des Aufwands- zu Nutzenverhältnis und so auch eine Lösung des mit der stark steigenden Anzahl der Transporteinheiten absehbaren Kapazitätsproblems in der wiederkehrenden Prüfung.
Following the new paradigm of materials development, design, and optimization, digitalization is the main goal in materials sciences and engineering (MSE) which imposes a huge challenge. In this respect, the quality assurance of processes and output data as well as the interoperability between applications following FAIR principles are to be ensured. For storage, processing, and querying of data in contextualized form, Semantic Web technologies (SWT) are used since they allow for machine-actionable and human-readable knowledge representations needed for data management, retrieval, and (re)use.
The project ‘platform MaterialDigital’ (PMD, https://materialdigital.de) aims to bring together and support interested parties from both industrial and academic sectors in a sustainable manner in solving digitalization tasks and implementing digital solutions. Therefore, the establishment of a virtual material data space and the systematization of the handling of hierarchical, process-dependent material data are focused. Core points to be dealt with are the development of agreements on data structures and interfaces implemented in distinct software tools and to offer users specific support in their projects. Furthermore, the platform contributes to a standardized description of data processing methods in materials research. In this respect, selected MSE methods are semantically represented which are supposed to serve as best practice examples with respect to knowledge representation and the creation of knowledge graphs used for material data.
Accordingly, this presentation shows the efforts taken within the PMD project towards the digitalization in MSE such as the development of the mid-level PMD core ontology (PMDco, https://github.com/materialdigital/core-ontology). Furthermore, selected results of a PMD partner project use case addressing data and knowledge management from synthesis, production, and characterization of materials are shown.
Gas turbine components, made of nickel-based alloys, undergo material damage due to high temperatures and mechanical stresses. These components need periodic replacement to avoid efficiency loss and failure. Repair of these parts is more cost-effective than replacement. State-of-the-art repair technologies, including different additive manufacturing (AM) and brazing processes, are considered for efficient restoration. Materials properties mismatches and/or internal defects in repaired parts may expedite crack initiation and propagation, reducing fatigue life. To understand the crack growth behavior in joining zones and predict the remaining life of repaired components, fatigue crack growth (FCG) tests were conducted on specimens of nickel-based alloys joined via brazing, pre-sintered preforms and AM. The FCG experimental technique was successfully adapted for joined specimens and results indicate that the investigated braze material provides a lower resistance to crack growth. In AM-sandwich specimens, the crack growth rates are significantly reduced at the interface of AM and cast material.
MALDI TOF Massenspektrometrie wurde verwendet, um Kristallisationsprozesse in Polyestern (Polylactide, Polyglycolide) zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass Zyklen und Linearen simultan, aber in unterschiedlichen Kristalliten, kristallisieren. Die dabei ablaufenden Umesterungen (Transesterifizierungen) konnten mit der MALDI TOF Massenspektrometrie nachgewiesen werden. Damit wurde ein völlig neues Anwendungsgebiet dieser MS Methode demonstriert.
Die Probenpräparation ist ein wichtiger Schritt für die Qualität der Massenspektren in MALDI-TOF MS. Es werden Polymerproben, die lösungsmittelbasiert und lösungsmittelfrei präpariert worden sind, verglichen. Dabei werden die Intensitätsverhältnisse von ternären Mischungen von PEG-, PS- und PMMA-Polymeren beachtet.
Sicherheitstechnische Untersuchungen von Wasserstoff Freistrahlflammen bei Hochdruck im Realmaßstab
(2024)
Wasserstoff als Energieträger gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die Untersuchung von Störfallauswirkungen mit Wasserstoff rückt somit stärker in den Fokus. Da Wasserstoff meist unter Druck gelagert und transportiert wird, ist ein zu betrachtendes Szenario die Freisetzung aus einer Leckage mit anschließender Zündung. Die daraus resultierende Freistrahlflamme (Jet Flame) muss hinsichtlich der in die Umgebung emittierten Wärmestrahlung charakterisiert werden. In der Literatur existieren bereits verschiedene Modelle, welche jedoch vermehrt auf Daten aus Kohlenwasserstoffflammen mit geringem Impuls basieren. Zur Überprüfung dieser Modelle wird im Zuge des BAM internen H2 Jet Flame Projektes die sicherheitstechnische Untersuchung von impulsbehafteten Wasserstoff Freistrahlflammen vorgenommen. Hierfür finden Versuche im Realmaßstab auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM (BAM-TTS) statt. Gegenstand der Untersuchungen ist die Beurteilung der Auswirkungen von realistischen Freisetzungsszenarien hinsichtlich der Flammengeometrie und der freigesetzten Wärmestrahlung. Dabei werden Parameter wie Freisetzungswinkel, Leckagedurchmesser (z.Zt. 1 mm bis 30 mm), Druck (z.Zt. bis max. 250 bar) und Massenstrom (bis max. 0,5 kg/s) variiert. Zusätzlich können auch Einflüsse wie Art der Zündung, Zündort sowie Zündung mit zeitlichem Verzug untersucht werden. Gewonnene Erkenntnisse werden mit den Ergebnissen bereits vorhandener Modelle verglichen und diese im Bedarfsfall weiterentwickelt. Insbesondere wird der Fokus auf die Modellierung der freigesetzten Wärmestrahlung von Wasserstoffflammen gelegt. Herausforderung dabei stellt die IR-Vermessung und Modellierung von Sichtmodellen der Flammen dar. Die Visualisierung der Flammengeometrie wird mit Hilfe mehrerer Infrarot Kamerasystemen (aus mindestens zwei Blickwinkeln) vorgenommen.
Bisherige Messungen, die in der Literatur zu finden sind, basieren meist auf instationären Auströmbedingungen. Der hier verwendete Versuchsaufbau ermöglicht ein stationäres Ausströmen für mehrere Minuten und somit eine direkte Vergleichbarkeit mit den existierenden (stationären) Modellen.
Weiterhin ist der Versuchsstand umrüstbar für Vergleichsmessungen mit Kohlenwasserstoffen (Methan etc.) sowie Mischungen aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen.
In order to reduce the human footprint of CO2 emissions and limit global warming effects hydrogen combustion is becoming increasingly important. To enable fuel cells and gas turbines to operates this carbon free fuel, unprecedently large amounts of hydrogen need to be produced and safely transported and stored. The investigation of the effects of accidents involving hydrogen is therefore becoming of outmost importance. Since hydrogen is usually stored and transported under pressure, one scenario to be considered is the release of hydrogen from a leakage with subsequent ignition. The resulting jet flame must be characterized with respect to the thermal radiation emitted into the environment to define safety regulations. Various models that characterize the resulting flame shape and radiation already exist in the literature, but these are mainly based on empirical data from hydrocarbon jet flames.[1-4] To verify these models, a H2 Jet Flame project conducted at BAM, is investigating the safety of momentum driven hydrogen jet flames. For this purpose, large-scale tests are carried out at the Test Site Technical Safety (BAM-TTS). The object of the investigations is to assess the effects of real scale release scenarios regarding flame geometry and the thermal radiation emitted. Parameters such as release angle, leakage diameter (currently 1 mm to 10 mm), pressure (currently up to max. 250 bar) and mass flow (up to max. 0.5 kg/s) are varied. In addition, influences such as the type of ignition, ignition location as well as delayed ignition can also be investigated. The gained knowledge will be compared with existing jet flame models, to validate these and identify a possible need for further development. In particular, the focus will be laid on the thermal radiation of hydrogen flames. The challenge here is the visualization and characterization of the flame geometry in an open environment. Visualization is performed using infrared (IR) camera systems from at least two viewing angles. Measurements of the heat radiation of jet flames, which can be found in the literature, are mostly based on unsteady outflow conditions.The experimental setup used here allows for the generation of a steady-state outflow for several minutes and thus a direct comparability with existing (steady-state) models. Furthermore, the tests can be carried out for comparative measurements with hydrocarbons (methane, etc.) as well as mixtures of hydrogen and hydrocarbons.
Der Vortrag stellt die wesentlichen Inhalte sowie die wichtigsten Änderungen der TRGS 510 "Lagerung von Gefahrstoffen in ortsbeweglichen Behältern" vor.
Die TRGS 510 zeichnet sich durch ein gestuftes Maßnahmenkonzept in Abhängigkeit von der Art und Menge der gelagerten Gefahrstoffe aus. Folgende Maßnahmenstufen werden durch die TRGS 510 beschrieben:
1. Kleinmengen -> Allgemeine Maßnahmen
2. Überschreitung der Kleinmengen -> Lagerung im Lager
3. Überschreitung bestimmter Mengen für spezielle Gefahrstoffe -> Spezielle Maßnahmen
4. Verschiedene Gefahrstoffe und Lagerung im Lager erforderlich -> ggf. Getrenntlagerung und Separatlagerung
Der Bau von Gründungs- und Turmstrukturen für Windkraftanlagen erfordert den Einsatz moderner, nachhaltiger und ressourcenschonender hochfester Feinkornbaustähle. Durch den Schweißprozess verursachte Schweißnahtfehler sind nicht akzeptabel. Um diese zu beheben, ist das lokale thermische Fugenhobeln mit anschließendem Reparaturschweißen ein gängiges und wirtschaftliches Verfahren. Die hohe Schrumpfbehinderung um die ausgefugte Nut durch das umgebende Gefüge kann zu Rissbildung führen, wenn sich konstruktiv bedingte Spannungen und Eigenspannungen aus der Reparaturschweißung überlagern. Diese Gefahr wird durch die Verschlechterung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften hochfester Stähle während des Schweißreparaturprozesses noch verstärkt.
Following directly from the information presented at IFBIC 2023 on the research project 'Investigation of intracorporeal shock wave propagation using a simplified torso model and a shock wave generator', the latest results are presented below [1]. In order to contribute to the research efforts on the primary explosion effects, the aim of the investigation is the development of a multidisciplinary method to investigate shock wave behavior in various generic tissue simulants under the most reproducible conditions possible with realistic loads in an experimental series with short set-up times.
To achieve this, an autoclave with a volume of 0.065 m3 is used to generate reproducible pressure waves (Fig. 1). The autoclave will be referred to as Shockwave Generator (SWG). The pressure wave is produced by the detonation of a stoichiometric mixture of acetylene and oxygen under atmospheric conditions. The SWG-outlet is sealed by a rupture disc, which can be adjusted in thickness to vary the initial pressure. Additionally, modifying the composition of the acetylene-oxygen mixture can result in different load cases. The SWG requires approximately 30 minutes of set-up time between trials. The SWG was adjusted to match the characteristics of a real and typical explosive through free-field measurements. The experiments demonstrated that the pressure wave propagates in a hemispherical shape and has sufficient reproducibility.
To represent soft tissue, a basic model made of homogeneous ballistic gelatin is used in a geometrically simplified torso model (STM) (Fig. 2). The STM was enlarged to outer dimensions of 400 x 250 x 240 mm. Viscoelastic behavior of the ballistic gelatin can be assumed due to the collagen structure [2]. The density of the ballistic gelatin, and therefore the sound velocity, can be adjusted by changing the mixing ratio. Simplified simulants, such as hollow and solid material (bone simulant), were embedded in the STM. Additionally, the STM has been tested as a carrier material for biological substances, such as indicator species. The next step is to test the STM as a carrier material for larger organic tissue structures such as lungs or kidneys. The organic tissue samples will undergo histological examination to analyze their structural changes afterwards. The STM is equipped with embedded piezoelectric pressure sensors, an accelerometer and a temperature sensor. Visual documentation is captured using a high-speed camera. This measurement setup allows for the tracking of the coupled pressure wave and its behavior within the model and at the media transitions. Pressure values can be recorded after certain media changes, such as from soft tissue to a solid material (Figure 3).
The following is a review of the optimizations made to the entire experimental setup. The reproducibility of the SWG was increased. This was achieved by extending the evacuation process to the entire feed system of the SWG. Nitrogen residues in the SWG system can thus be avoided. As a result, the double peaks that occur at the first maximum can be avoided, as combustion runs more evenly without the nitrogen residues. In addition, partially varying peak overpressures can be avoided, as the acytelene-oxygen mixture is not too lean due to the elimination of the nitrogen residues. The workflow has been streamlined, resulting in an average set-up time of 25 minutes for the SWG. In the case of the STM, the manufacturing process in particular was optimized by examining and defining the manufacturing process based on scientific publications, which increases the reproducibility of the STM base bodies. As already mentioned in the previous paragraph, the STM was equipped with various additives in order to investigate the transition behavior of the pressure wave.
The following trail serves as an example: A comparison is made between the STM in the basic structure (Fig. 2 l.s.) and with an embedded solid material (bone plate) (Fig. 3 l.s.). An external overpressure of 100 kPa is generated by the SWG at a distance of 1 m, where the STM is placed. For the basic STM structure, the sensor distance is consistently 100 mm. The internal overpressure is visible in Fig. 2 r.s.. A typical ideal pressure curve can be seen. The characteristic points are easily distinguishable from the reflection peaks. In the STM with an embedded solid material, the sensor distance remains consistently at 66.6 mm
The Laser-Induced Slip Casting is an additive manufacturing technology specifically developed for ceramic materials using water-based ceramic slurries. The process takes place layer-by-layer in a similar fashion as top-down vat photopolymerization, selectively consolidating each layer by means of a laser energy source positioned on the top. Contrary to vat photopolymerization, in which the consolidation is achieved by selectively cross-linking a ceramic-filled resin, LIS uses water-based slurries with a low amount of organic additives (typically < 5 wt%) as feedstocks.
In LIS, a green body is formed by local evaporation of water which causes the suspension to collapse forming a cast, following a mechanism similar to slip casting. Only a small content of organic additives is needed to effectively disperse the ceramic particles and to increase the green strength.
The technology is very versatile and can be applied to all ceramic systems that can be dispersed in water. One of the main advantages is that even dark materials such as silicon carbide can be processed without issues related to light scattering and absorption.
The presentation will discuss strengths and limitations of LIS compared to other AM technologies and will highlight the latest results for alumina and for silicon carbide ceramics.
Powder bed technologies are amongst the most successful Additive Manufacturing (AM) techniques. The application of these techniques to most ceramics has been difficult so far, because of the challenges related to the deposition of homogeneous powder layers when using fine powders.
In this context, the "layerwise slurry deposition" (LSD) has been developed as a layer deposition method enabling the use of powder bed AM technologies also for advanced ceramic materials. The layerwise slurry deposition consists of the layer-by-layer deposition of a ceramic slurry by means of a doctor blade, in which the slurry is deposited and dried to achieve a highly packed powder. Not only very fine, submicron powders can be processed with low organics, but also the dense powder bed provides excellent support to the parts built. The LSD technology can be combined with binder jetting to develop the so-called “LSD-print” process. LSD-print combines the high-speed printing of binder jetting with the possibility of producing a variety of high-quality ceramics with properties comparable to traditional processing.
The latest development of this technology shows that it is possible to print ceramic parts in a continuous process by depositing a layer onto a rotating platform, growing a powder bed following a spiral motion. The unique mechanical stability of the layers in LSD-print allows to grow a powder bed several centimeters thick without any lateral support. The continuous layer deposition allows to achieve a productivity more than 10X higher compared to the linear deposition, approaching a build volume of 1 liter/hour.
The presentation provides an overview of the current European initiatives to introduce the Digital Product Passport (DPP). Starting from the political background, reference is made to the implementation in various European directives. According to current considerations, explosives and pyrotechnics are not excluded from this. The introduction of the DPP system requires the development of a solid basis of relevant standards, which are now being developed. The aim of BAM's efforts will be to digitally align the classification processes with a view to these developments.
Germany had been transporting spent fuel to the reprocessing plant in Sellafield and La Hague for decades until around 2005. Resulting from the obligation to take back the vitrified high-level waste from reprocessing six CASTOR® HAW28M filled with 168 canisters with radioactive waste in vitrified form were transported from Sellafield to the interim storage facility Biblis in 2020. Rail wagons were used for the transport to the port in Barrow-in-Furness, where they were loaded into a dedicated seagoing vessel, certified as INF Class 3 according to the INF Code. This was the first time that vitrified high level waste with considerable heat load was transported under a German design approval certificate.
BAM was involved in the authority assessment of the conditions for the sea transport. For the first transport BAM required among others, assessment of temperature distribution during transport, logging of temperatures of cargo bays and graphical imaging of temperatures of the bay with the cask in order to ensure compliance with temperature specifications, e.g. maximal neutron absorber and gasket temperatures. Special interest was taken in the identification of possible events exceeding the specified temperatures considering the different philosophies of IMDG code and its supplement INF code regarding temperature control of hatches. Results show compliance with assumed conditions.
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung und Bewertung bei der Auswertung von Schienenprüfungen mittels Ultraschall- und Wirbelstromprüfverfahren zu verbessern. Je nach Prüfverfahren werden relevante Schienenschädigungen (z. B. Head Checks) und Artefakte (z. B. Bohrungen) entsprechend analysiert und in einem parametrisierbaren digitalen Zwilling abgebildet, um anschließend die KI-Algorithmen trainieren zu können. Mit der Simulation können Prüffahrten virtuell durchgeführt und Schadensbilder für das KI-Training erzeugt werden, die das Verhalten komplexer Systeme reproduzieren, ohne dass das reale System benötigt wird. Die Modellannahmen sind dabei von erheblicher Bedeutung, denn unzureichende Modellannahmen führen leicht zu falschen Simulationsergebnissen. Um die Ergebnisse einer Simulation ordnungsgemäß darstellen zu können, ist das Simulationsmodell selbst zu überprüfen.
Die Vollständigkeit, Richtigkeit und Genauigkeit der Simulationsergebnisse werden anhand von realen Prüfungen verifiziert. Für die Verifikation der Ultraschallsimulation werden hier Stegbohrungen als Referenzreflektoren herangezogen. Als Testkörper stehen Schienensegmente mit unterschiedlichen Profiltypen sowie speziell angefertigte Testkörper mit schienenähnlicher Geometrie zur Verfügung. In den Testkörpern befinden sich künstliche und reale Schädigungen in Kopf-, Steg- und Fußbereich, sowie Bohrungen mit Nuten. Die Validierung der Wirbelstromsimulation erfolgt an Testkörpern, die aus Schienenköpfen gefertigt sind. Dabei werden die Signale für unterschiedliche Nuttiefen und Nutenpaare mit unterschiedlichen Abständen untersucht.
Für die Modellierung der Simulationsergebnisse verweisen wir auf das ebenfalls eingereichte Poster „Simulation von Ultraschall- und Wirbelstromprüfdaten für die Schienenprüfung“.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
Bei der zerstörungsfreien Prüfung verlegter Eisenbahnschienen werden die Rohdaten derzeit in proprietären Datenformaten gespeichert und auf Datenträgern zwischen den Prüfzügen und den auswertenden Stellen versendet. Die proprietären Datenformate sind in der Regel nur den Herstellern der Prüfsysteme bekannt und deren Dokumentation nicht allgemein zugänglich.
Das Forschungsprojekt „Artificial Intelligence for Rail Inspection“ (AIFRI) erfordert den Austausch von Prüfdaten in einem offenen Format sowohl zwischen den Projektpartnern als auch die Veröffentlichung anonymisierter Daten ausgewählter Strecken aus dem Offenen Digitalen Testfeld (ODT). Wir haben uns in dem Projekt für die Verwendung der „Standard Practice for Digital Imaging and Communication in Nondestructive Evaluation“ (DICONDE) entschieden. DICONDE basiert auf dem medizinischen Standard „Digital Imaging and Communication in Medicine“ (DICOM) und wurde von ASTM an die ZfP angepasst. DICOM bzw. DICONDE ist nicht nur ein Datenformat, sondern beinhaltet auch Kommunikationsschnittstellen für die Auftragsvergabe, Datenübertragung und Abfrage gespeicherter Datensätze aus einem Archiv.
In dem Vortrag werden DICOM und DICONDE vorgestellt, sowie die Verwendung von DICONDE für die Schienenprüfung im Projekt AIFRI näher erläutert. Es wird gezeigt, wie sich Prüfdaten, Prüfparameter, Streckeninformationen incl. Kilometertafeln und Geokoordinaten und Befunde in DICONDE kodieren lassen.
Die Wirbelstromprüfung ist ein bewährtes Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung elektrisch leitfähiger Objekte im oberflächennahen Bereich. Nach einer Einführung in die Wirkungsweise, Möglichkeiten und Grenzen des Wirbelstromprüfverfahrens wird am Beispiel des Schreins der Heiligen Drei Könige gezeigt, wie sich mit dem Wirbelstromprüfverfahren unterschiedliche Metalllegierungen unter einer Vergoldung zerstörungsfrei identifizieren lassen.
Der Schrein der Heiligen Drei Könige wurde um das Jahr 1200 von Nikolaus von Verdun erschaffen, ca. 1750 von Johann Rohr und 1807 von Wilhelm Pollack restauriert. Die Restaurierungsarbeiten wurden jedoch nur unvollständig dokumentiert. Es ist bekannt, dass zu den unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Metalllegierungen als Grundmaterial unter der Vergoldung verwendet wurden. Mit Hilfe von Vergleichsproben aus einer Sammlung der Kölner Dombauverwaltung ließen sich die Akanthus-Prägungen des Schreins den verschiedenen Restaurierungen zuordnen.
Packages for the transport of radioactive material are designed to en-dure severe accidents. Packages for the transportation of radioactive material must demonstrate that the package can withstand certain prescribed tests from the IAEA Regulations [1]. In addition to mechanical tests, a thermal test in form of a fire test must be carried out. As packages to be tested at BAM are signifi-cantly larger than previous package designs, BAM has expanded an existing fire test stand. A modular concept is chosen, which means that the arrangement of the burner nozzles can be adapted to the test specimen. The dimensions of the burner rings, the type, the orientation and the number of burner nozzles can be varied depending on the test specimen. In addition, various pumps can be used to set the corresponding mass flow. With the help of a calorimeter test, the fire test stand can be qualified for a specific size of packages regarding the boundary conditions of the IAEA Regulations [1]. Due to the typically wood filled impact limiters in German package designs, a fire test is necessary, as experiments have shown that possible openings that occurred during a mechanical test contributed to the igni-tion of the wood filled impact limiters within the prescribed 30 minutes of the IAEA Regulations [1]. From a series of experiments, two experiments are pre-sented to show the possibilities to obtain different temperatures and temperature rates in the test specimen. In addition to sensor data, the heat flux into the package is calculated to verify that the IAEA boundary conditions are satisfied. In addition to the temperature data, other data such as wind speed and wind direction are also recorded to explain subsequent effects in the measurement data in a comprehen-sible manner.
Gas Distribution Mapping (GDM) is essential in monitoring hazardous environments, where uneven sampling and spatial sparsity of data present significant challenges. Traditional methods for GDM often fall short in accuracy and expressiveness. Modern learning-based approaches employing Convolutional
Neural Networks (CNNs) require regular-sized input data, limiting their adaptability to irregular and sparse datasets typically encountered in GDM. This study addresses these shortcomings by showcasing Graph Neural Networks (GNNs) for learningbased GDM on irregular and spatially sparse sensor data. Our Radius-Based, Bi-Directionally connected GNN (RABI-GNN) was trained on a synthetic gas distribution dataset on which it outperforms our previous CNN-based model while overcoming its constraints. We demonstrate the flexibility of RABI-GNN by applying it to real-world data obtained in an industrial steel factory, highlighting promising opportunities for more accurate GDM models.
This paper explores combining a gimbal-mounted tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) sensor and a video camera to create a virtual gas camera for methane leak detection. This provides a low-to-zero-cost extension of typical TDLAS gas tomography systems. A prototype setup mounted on a ground robot is evaluated. Results acquired using a simulated methane leak show the feasibility of the virtual gas camera, accurately detecting methane leaks by overlaying concentrations onto a visual image. While the acquisition time is significantly longer than for traditional gas cameras, potential enhancements are discussed. The study concludes that the virtual gas camera is feasible and useful, despite its longer acquisition time. It serves as a valuable software-only addition to typical TDLAS gas tomography systems, offering quickly-available on-site data augmentation for visual leak assessment at low-to-zero cost.
An Trinkwasserrohren aus ferritischem Stahl (1.4521) sind bei einigen größeren Bauvorhaben massive Korrosionsschäden aufgetreten. Die Leckagen treten ausschließlich durch Spaltkorrosion in Pressverbindungen auf, wo konstruktionsbedingt ein mit Wasser gefüllter Spalt zwischen der Rohr-Außenseite und dem Pressfitting gebildet wird. Im Vortrag werden die gewonnenen Erkenntnisse aus verschiedenen Schadensfällen der jüngeren Vergangenheit vorgestellt.
This study explores the acceleration of material design in the concrete industry, focusing on improving carbonation resistance, a key factor in the durability of concrete structures. Traditional tests for carbonation resistance are lengthy, but with the construction industry aiming for sustainable production, finding a balance between carbonation resistance and CO2 footprint is crucial. Our research employs two innovative methods: 1. Applying the Sequential Learning App for Materials Discovery (SLAMD), an AI materials design framework, to an extensive dataset of real-world concrete compositions to selectively test materials that meet market demands: maximum durability, optimal eco-durability, and the best cost-durability trade-off. 2. Investigating 1H Nuclear Magnetic Resonance (NMR) relaxometry as a quick alternative for characterizing carbonation behavior, as it saves time compared to traditional tests and assesses the complete material's pore space. Specific NMR features are then integrated into the material design model, with the model's performance compared against traditional approaches. The results of our study are compelling, demonstrating that materials can be precisely tailored to meet specific requirements with minimal data points. This marks a significant stride in the concrete industry, indicating that NMR-based, low-fidelity surrogate characterizations, combined with a focused, data-driven design approach, can substantially accelerate the development of durable, sustainable concrete mixtures.
Interlaboratory studies are common tools for collecting comparable data to implement standards for new materials or testing technologies. In the case of construction materials, these studies form the basis for recommendations and design codes. Depending on the study, the amount of data collected can be enormous, making manual handling and evaluation difficult. On the other hand, the importance of the FAIR (findable, accessible, interoperable, and reusable) principles for scientific data management, published by Wilkinson et al. in 2016, is constantly growing and changing the view on data usage.
The benefits of using data management tools such as data stores/repositories or electronic laboratory notebooks are many. Data is stored in a structured and accessible way (at least within a group) and data loss due to staff turnover is reduced. Tools usually support data publishing and analysis interfaces. In this way, data can be reused years later to generate new knowledge with future insights. On the other hand, there are many challenges in setting up a data repository, such as selecting suitable software tools, defining the data structure, enabling data access, and understanding by others and
ensuring maintenance, among others.
This talk discusses the advantages and challenges of setting up and applying a data repository using the interlaboratory study on the mechanical properties of printed concrete structures carried out in RILEM TC 304-ADC as example. First, the definition of a suitable data structure including all information is discussed. The tool-dependent upload process is then described. Here, the data
management system openBIS (open source software developed by ETH Zurich) is used. Since in most cases an open compute platform allowing access from different organisations is not possible or available due to data protection and maintenance issues, tool-independent export options are discussed and compared. Finally, the different query and analysis possibilities are demonstrated.
3D concrete printing is an innovative new construction technology offering the potential to enable an efficient production of individual structures with less consumption of resources. The technology will mainly shape the future construction philosophy, automate the build process and help reaching the climate goals in civil engineering. From the design of a structure to the printed component, many individual steps based on different software are required which must be repeated for each new or changed structure. First, the geometry of the structure is created in a CAD program. Second, the print path is defined in a slicer software creating the machine code for the printer (G-Code). Finally, the structure can be printed. Furthermore, a numerical model of the printed structure is necessary for process optimization and control. In that way the number of test prints can be reduced, costs can be saved, and the component behavior can be predicted. For those purposes, an automated workflow allowing to run all steps or individual steps without interacting with each individual software program is required. Furthermore, changes in parameters or the exchange of parts (using a different design or different printer) must be possible in a simple manner. In the presented work, such an automated workflow based on the example of a parametrized wall element for extrusion-based concrete printing is developed. The investigated wall structure is parametrized using the global geometry parameters: height, width, thickness, radius, kind of infill structure (honey-comb, zig-zag) and number of repeated infills. All above mentioned steps are implemented via python interfaces using pydoit as workflow tool. General interfaces with prescribed input and output files are defined allowing adaptations for different software and tools. The described workflow is tested by performing a test series investigating the influence of the in-fill structure on the mechanical properties of the test walls.
In einer Versuchsreihe im Realmaßstab wurden drei Flüssigwasserstofftanks (LH2) unterfeuert. Hierbei sollte unter anderem geklärt werden, ob es, analog zu druckverflüssigten Gasen, zu einem BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Cloud Explosion) kommen kann. Die Experimente wurden auf dem Testareal Wasserstoffsicherheit des Testgeländes Technische Sicherheit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM-TTS) im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen der BAM und Gexcon, als Teil des SH2IFT-Programms durchgeführt. Es handelte sich um doppelwandige, vakuumisolierte Tanks von 1 m³ Volumen. Die zylindrischen Tanks unterschieden sich durch ihre Ausrichtung (horizontal oder vertikal) und das verwendete Isoliermaterial (Perlit oder Mehrschichtisolierung (MLI). Der Füllgrad der Tanks betrug bei jedem der durchgeführten Tests etwa 35-40 %. Die Brandlast wurde homogen durch ein propangasbetriebenes Brennersystem erzeugt. Gemessen wurden die Bedingungen im Behälter (Temperaturen und Druck) sowie äußere Randbedingungen und Auswirkungen beim Versagen (Wärmestrahlung, Druckwellen, Flammenballentwicklung und Fragmentierung). Mit Bolometern wurde die Wärmestrahlung gemessen, die sowohl durch das Propanfeuer als auch durch einen möglichen Feuerball/BLEVE erzeugt wurde. Zur Messung der durch das Bersten von Behältern/BLEVEs erzeugten Druckwellen wurden sog. Pencil-Probes verwendet. Des Weiteren wurden mehrere Kameras zur Überwachung der Experimente eingesetzt: Normalbildkameras, Infrarot (IR)-Kameras und Hochgeschwindigkeitskameras, sowohl bodengestützt als auch mittels einer Drohne. Zwei der untersuchten Tanks, ein horizontaler und der vertikale, die beide mit Perlit isoliert waren, hielten der Brandbelastung stand, ohne dass es zu einem Behälterversagen kam. Der mit MLI isolierte horizontale Behälter barst nach 1 Stunde und 6 Minuten und erzeugte dabei einen Feuerball, Trümmerflug und eine Druckwelle. Neben der Beschreibung der Auswirkungen eines kritischen Versagens eines LH2-Tanks sind weitere Ziele der Arbeit die Identifizierung kritischer Behälterzustände sowie die Erstellung eines umfassendes Datensatzes der Trümmer des geborstenen Tanks. Die größten Abstände für kritische Abstände ergaben sich durch Fragmentwurf. Hier sollen 3D-Scans für die Verwendung in CAD und FEM Anwendungen bereitgestellt werden. Umfassende Daten zu den Fragmentwurfweiten, - massen und -positionen wurden bereits publiziert. Damit soll die Voraussetzung geschaffen werden, um vorhandene Wurfweitenmodelle, die bisher nur für einschalige Behälter konzipiert wurden auf ihre Eignung für mehrschalige Behälter zu überprüfen oder mögliche Anpassungen anhand der realen Daten vornehmen zu können. Zudem wurde damit begonnen die nicht geborstenen Tanks zu vermessen und zu zerlegen, um u.a. die Perlit-Schüttung auf Beeinträchtigungen durch den Transport und die Unterfeuerung zu untersuchen.
Mit der Abkehr von der Nutzung fossiler Rohstoffe rücken regenerative Energieträger immer weiter in den Focus. Neben klassischen Holzkohlen werden verstärkt so genannte Biokohlen produziert. Dieser Begriff findet Verwendung für mit Hilfe verschiedener Verfahren karbonisierte pflanzliche, tierische oder mikrobielle Ausgangsstoffe. Diese Kohlen werden zum Teil über weite Strecken zum Bestimmungsort transportiert (Überseetransporte) oder vor Verwendung für längere Zeit gelagert.
Häufig zeigen diese Kohlen ein kritisches Selbstentzündungsverhalten, wobei Einstufungstests (UN N.4 Test) versagen können. Ein negatives Testergebnis des UN N.4 Tests führte dabei in der Vergangenheit zur Nichteinstufung als selbsterhitzungsfähiger Stoff; in der Praxis entzündeten sich aber bereits vergleichsweise kleine Schüttungen (einige m³), z. B. beim Seetransport in Containern. Der Artikel geht auf dieses Problem ein und stellt Prüfverfahren vor. Aus den Ergebnissen durchgeführter Untersuchungen werden Empfehlungen für sicheren Transport und Lagerung abgeleitet.
In einer Reihe von Experimenten wurden die möglichen Folgen der Freisetzung von verflüssigtem Wasserstoff (LH2) auf, bzw. unter Wasser untersucht. Die Experimente zielten darauf ab, eine unbeabsichtigte Freisetzung von LH2 (z.B. durch Schlauchabriss) insbesondere bei der Betankung eines Schiffes zu simulieren. Für verflüssigtes Erdgas (LNG) wurden dabei sog. RPT’s (rapid phase transition) nachgewiesen, bei denen die spontane Verdampfung relevante Druckwellen erzeugt. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass RPTs auch im Falle von LH2 möglich sind. Die Versuche wurden auf dem Testareal Wasserstoffsicherheit auf dem Testgelände Technische Sicherheit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM-TTS) in Horstwalde, im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen der BAM und Gexcon im Rahmen des SH2IFT-Programms durchgeführt. Die LH2-Freisetzungen erfolgten direkt aus einem LH2-Tanklastwagen über eine lange, flexible, vakuumisolierte Transferleitung. Während die Freisetzung oberhalb und unterhalb der Wasseroberfläche jeweils vertikal orientiert war, wurde bei der Unterwasserfreisetzung zusätzlich eine horizontale Ausströmung, parallel zur Wasseroberfläche realisiert. Zur Bestimmung des Massenstromes, wurde ein Wägesystem unter dem Tankwagen eingesetzt. Spezielle Drucksensoren wurden verwendet, um die durch die Freisetzungsvorgänge erzeugten Stoßwellen sowohl im Wasser als auch in der Luft zu messen. Die Gaskonzentrationen über dem Wasserbecken wurden an verschiedenen Positionen gemessen. Hochgeschwindigkeits-, Infrarot- (IR) und normale Kameras wurden eingesetzt, um die Phänomenologie der Freisetzung aufzuzeichnen und das Verhalten der Gaswolke im Zeitverlauf zu verfolgen. Neben den fest installierten Systemen an Land, kamen auch Unterwasserkameras sowie eine Drohne mit Normal- und IR-Kameras zum Einsatz. Zwei Wetterstationen wurden zur Messung von Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit während aller durchgeführten Tests eingesetzt. Des Weiteren kamen Bolometer zur Wärmestrahlungsmessung zum Einsatz. Zwar führten die Freisetzung zu einer hochturbulenten LH2/Wasser Mischzone, jedoch zu keinen nennenswerten Überdrücken durch RPT. Im Gegensatz dazu wurde unerwartet, aber reproduzierbar, eine Zündung der Gaswolke in freier Luft in einiger Entfernung von den Instrumenten und dem Ort der Freisetzung beobachtet. Die daraus resultierenden Gaswolkenexplosionen führten zu relevanten Überdrücken und zur Wärmeabstrahlung in die Umgebung.
Evaluation of Heat Fluxes in Fire Reference Test Conducted in BAM Propane Gas Fire Test Facility
(2024)
Packages for the transport of intermediate- and high-level radioactive waste are designed to withstand severe accidents. The International Atomic Energy Agency (IAEA) has established specific mechanical and thermal tests. Packages for the transport of radioactive material must withstand these tests to comply with the Regulations for the Safe Transport of Radioactive Materials IAEA [IAEA (2018)]. A fire reference package was developed with the primary objective to demonstrate that the fire meets the regulatory requirements. Another aim is to characterise the boundary conditions of the actual fire as input parameters for thermo-mechanical simulations. A simple method to characterise the boundary conditions of a real steady state fire with a fire reference package is presented. The thermal test mainly consists of a 30 minute fully engulfing 800°C pool fire or an equally severe fire, such as a propane gas fire. The fire reference tests are performed prior to the actual fire test with the real package. The heat fluxes into the package depend substantially on the fire characteristics and the surface temperature of the package. To investigate local and overall heat fluxes over a wide range of surface temperatures in this test facility a fire reference package was designed for repeated use. The fire reference package presented in this paper represents the outer geometry of a small transport container for radioactive material and is used as a device in civil engineering. It is designed as a closed steel sheet cylinder with a wall thickness of 10 mm, a length of 182 mm and a diameter of 102 mm. The package was instrumented with thermocouples and filled with heat resistant insulation material. Open-air fire tests were performed in a BAM propane gas fire test facility with the fire reference package. The measured temperatures are used to determine the changes of heat fluxes into the fire reference package in relation to the package surface temperature. The calculated heat fluxes allow its fitting to express the thermal exposure as simple mathematical boundary condition. Therefore, in a first approach, fire properties such as adiabatic surface temperature (AST) as proposed by Wickström et al. (2007), convection coefficient and emissivity are determined mathematically fitting the heat flux development presented in this paper. The evaluated results provide an initial picture of local fire characteristics of the conducted propane gas fire and are a further development of previous works from Feldkamp et al. (2020). The results can be used in thermal and thermo-mechanical models to simulate the load on the real transport package in fire. The test shows that the examined propane gas fire covers the IAEA-fire over a wide range of surface temperatures with the chosen test stand parameters.
Thermochemische Aufarbeitung von Stahlwerksstäuben und -schlämmen zur Zink- und Eisenrückgewinnung
(2024)
Stahlwerksstäube und -schlämme enthalten in der Regel Schwermetalle wie Zink, Blei und Cadmium, die ein direktes Recycling verhindern und diese Stoffe potenziell umweltgefährdend machen. Um diese Schwermetalle aus den Materialien zu entfernen, werden drei thermochemische Verfahren zur Aufarbeitung von Gichtgasschlamm, Elektroofenstaub und ähnlichen Stahlwerksstäuben vorgestellt. Zum einen kann die Mischung von Elektroofenstaub mit chloridhaltigen Lösungen, wie sie z. B. in der Titandioxidproduktion anfallen, gemischt werden, um bei der thermischen Behandlung Schwermetallchloride zu effektiv verdampfen. Weiterhin kann der im Gichtgasschlamm enthaltene Kohlenstoff genutzt werden, um in Mischungen aus Gichtgasschlamm und Elektroofenstaub bei der thermischen Behandlung als Reduktionsmittel zu wirken. Dieses Verfahren führt zur Rückgewinnung von Zink und metallischem Eisen und wird im Technikums- und Pilotmaßstab erprobt. Abschließend wird die Nutzung von Wasserstoff als Reduktionsmittel für Elektroofenstaub vorgestellt. Hierbei lässt sich der Reststoff potenziell klimaneutral in Eisenschwamm umwandeln, wobei die chemischen Grundlagen anhand von DTA-Experimenten und thermodynamischen Simulationen ergründet werden.
Next to chemical composition, metallurgy and welding parameters, the intensity of restraint is one of the variables influencing solidification cracking. Tests like the Houldcroft Test, rate the hot cracking susceptibility indirectly on the amount of restraint the welding can endure without cracking. Modern lightweight steel construction welds can be subject to a larger amount of restraint due to their high-strength nature compared to classical use cases. By varying the plate thickness of Controlled Thermal Severity (CTS) tests produced out of S1100 QL, it was possible to vary the intensity of restraint on fillet welds at a high level. Testing was conducted with four different filler wires for Metal Active Gas (MAG) welding, including three solid and one metal-cored wire. In addition, two sets of welding parameters were tested. The first set with high heat input and high welding speed was shown to be more prone to solidification cracking compared to the second set with lower heat input and welding speed. The results show an increase in solidification cracking with increasing restraint severity.
This article focuses on the selective placement of additional LTT layers to generate compressive residual stresses in fatigue-critical areas of conventional weld joints. This enables an economical solution without effecting the integrity of welded joints. For this, longitudinal stiffeners made of high-strength steel were gas metal arc welded using conventional welding consumable in the first layer. Afterwards, a chromium-nickel alloyed LTT welding consumable was deposit on front sides of the stiffeners. By varying the welding parameters, different weld geometries of the LTT filler metal could be analyzed. The effects of additional LTT layers were investigated with regards to residual stresses, microstructure and strength. X-ray residual stresses measurements show that the residual stresses at the failure critical weld toe are significantly reduced by using additional LTT layers. While the conventional weld is characterized by tensile residual stresses, compressive residual stresses can be detected at the LTT weld. The level of residual stresses is influenced by the geometry of the LTT layer. Additional LTT layers with a high offset to the conventional weld generate more compressive residual stress in the HAZ than with a low offset. Therefore, the weld geometry has a considerable impact on the residual stress profile.
Influence of machining on residual stresses in additive manufactured high-strength steel components
(2024)
This study focuses on the effect of machining on the residual stresses and distortion of WAAM specimens. Defined specimens were welded fully automatically with a special WAAM solid wire (yield strength >820 MPa) with different geometric designs. The residual stresses state before and after cutting of the AM structure from the substrate plate were analyzed by means of X-ray diffraction on the specimen surface and complementary by 3d deformation analyses using photogrammetry. The results reveal significant influences of the geometry on the relaxation and redistribution of residual stresses.
MVT testing was conducted in Transvarestraint mode in multiple welding conditions and under a range of bending speeds. The materials observed were high strength filler metals used in GTAW namely DIN EN ISO 16834-A G 69 4 M21 Mn3Ni1CrMo (G69), 16834-A G 89 6 M21 Mn4Ni2CrMo (G89 6), 16834-A G 89 5 M21 Mn4Ni2,5CrMo (G89 5) and a filler wire 18276-A T 89 4 ZMn2NiCrMo M M21 1 H5 (T89). For evaluation light optical microscope pictures were used. Pixels containing cracks were manually segmented using a self-written program. Out of the segmented images data including crack length, position and area can be calculated for every crack. The results show dependencies of solidification cracking on the test parameters.
This presentation describes the usability of the hollow tensile specimen technique for in-situ material testing in a hydrogen atmosphere.
In addition, the presentation provides an outlook on the methodology for investigating the suitability of pipeline steels and their weld seams for hydrogen operation.
Diese Studie konzentriert sich auf den Einfluss der Bearbeitung auf die Eigenspannungen und den Verzug von WAAM-Proben. Definierte Proben wurden vollautomatisch mit einem speziellen WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >820 MPa) mit unterschiedlichen geometrischen Designs geschweißt. Der Eigenspannungszustand vor und nach dem Abtrennen der AM-Struktur von der Substratplatte wurde mittels Röntgenbeugung an der Probenoberfläche analysiert und durch 3D-Verformungsanalysen mittels Photogrammetrie ergänzt. Die Ergebnisse zeigen einen signifikanten Einfluss der Geometrie auf die Relaxation und Umverteilung der Eigenspannungen.
Der Vortrag befasst sich mit der gezielten Einbringung zusätzlicher LTT-Lagen zur Erzeugung von Druckeigenspannungen in ermüdungskritischen Bereichen von konventionellen Schweißverbindungen. Dies ermöglicht eine wirtschaftliche Lösung, ohne die Integrität der Schweißverbindungen zu beeinträchtigen. Dazu wurden Längssteifen aus hochfestem Stahl in der ersten Lage mit konventionellem Schweißzusatzwerkstoff mittels Metall-Lichtbogenschweißen geschweißt. Anschließend wurde ein Chrom-Nickel-legierter LTT-Schweißzusatz auf die Stirnseiten der Steifen aufgebracht. Durch Variation der Schweißparameter konnten verschiedene Schweißnahtgeometrien des LTT-Zusatzwerkstoffs analysiert werden.
The weldability of stainless steels is largely controlled by the chemical composition, and alloys with ferritic or ferritic-austenitic solidification show the highest resistance to hot cracking. As the resulting phase balance also
affects the final properties, it may be beneficial to both foresee and measure the weld metal ferrite content. The WRC ’92 constitution diagram is currently the most accurate prediction tool available, but it does not take the cooling rate into consideration and the precision may be less accurate for stainless steels with high ferrite numbers (FN). This study aims to validate the reliability of the WRC ’92 diagram for weld metals with FN > 50. The chemical composition was altered through gas tungsten arc welding (GTAW) of UNS S32205 with ER347 filler wire that had been PVD-coated with either niobium (Nb), copper (Cu), nickel (Ni), manganese (Mn), carbon (C), or silicon (Si). The actual ferrite content was assessed using image analysis, FERITSCOPE® and X-ray diffraction (XRD). While the WRC ’92 diagram predictions were deemed accurate to acceptable for Ni, Si, and Mn, notable deviations were observed for Nb, Cu, and C. The FeriteScope exhibited a consistent trend with image analysis, though the values were higher, and scatter was wider, and the conversion factor is open for discussion. The lowest accuracy and largest spread were obtained using non-contact XRD, rendering it unsuitable for ferrite measurements of welds.
New analytic ways to characterise mesoporous thin layers used in electrocatalytic water splitting
(2024)
Mesoporous materials are needed in many applications where a high specific surface area and adsorptive behaviour is needed. Important examples are separation techniques and barrier layers and catalysts. Electrochemical water splitting is the key technology for producing green hydrogen and there is no foreseeable alternative to this process for producing elementary hydrogen from green electrical power. Water electrolysis can be divided into the anodic Oxygen Evolution Reaction (OER) and the cathodic Hydrogen Evolution Reaction (HER). Both processes have to be heavily optimised to a large extent to avoid energy losses caused by overvoltage. The development of electrodes for these processes is especially difficult due to the many boundary conditions. Water splitting is a catalytic as well as electrochemical process. The contact area between the electrolyte and the electrode must be maximised maintaining the stability of the surface. Side reactions must be suppressed, and effective gas transport must be ensured. The whole process has to be tolerant with respect to temperature, harsh chemical conditions from the electrolyte as well as high current densities.
We present a hybrid analytical method combining several analytical techniques for determining the properties of thin layers of mixed oxides of the general composition Ir:TiOx. These materials are promising candidates for electrocatalytical top coatings of OER electrodes. To lower the costs of the electrolysers, the main goal is to lower the Ir content retaining the system efficiency. The main properties which are hard to determine are the porous volume fraction and the Ir:Ti element ratio. By a combination of electron microscopy, spectroscopic operando ellipsometry, ellipsometric porosimetry, and other techniques, we can determine key features of mesoporous thin layer materials. We aim to develop operando capable techniques used in process monitoring as well as measurement techniques optimised for accuracy. By developing reference materials, we support long term uptake of our methodology. This work can directly be used for optimising electrocatalytic layers and is a good example for the power of hybrid metrology for improving materials design.
Polydopamine (PDA) is a biological / biomimetic polymer which has spiked considerable interest in recent years. Its monomer is an important neurotransmitter and it is one of the strongest glues produced by biological organisms. Polydopamine is a candidate for several applications, mainly in the field of biology and medicine, but also - recently - for layer coatings with optical, electrical, and mechanical function.
In this work, we investigate PDA layers intended as reflectivity enhancers for mirror surfaces in X-ray astronomical observatories. It has previously been shown, that such X-ray telescopes can be improved by a coating of PDA in the thickness range of several nm. Accurate thickness determination is required to monitor and optimise the coating process. We use spectroscopic ellipsometry to determine first the dielectric function of the polydopamine layers using model coatings of sufficient thickness. This data is then used to accurately determine the layer thickness of much thinner PDA layers. This study resulted in data on the thickness and dielectric function of PDA layers that could lead to a better understanding of the correlation of layer thickness and layer properties depending on the process parameters.
Controlled Thermal Severity (CTS) tests are known for applicatying high restraint intensity to fillet welds. Due to two different variations of the test it was possible to apply different amounts of restraint intensity to high-strength GMAW fillet welds at a high level of restraint. The results show the effect of heat input, filler material and restraint intensity on solidification cracking susceptibility.
Im Rahmen eines Kooperationsprojekts mit der Schottel GmbH wurde eine bauteilnahe Probengeometrie entwickelt, mit der sich unter Verwendung einer einachsigen Prüfmaschine das Spannungstiefenprofil in dem unter überlagerter Biege- und Zugspannung beanspruchtem Querschnitt im Schweißnahtübergang des Bauteils reproduzieren ließ.
Proben dieser Geometrie wurden vom Kooperationspartner im geschweißten bzw. geschweißten und spannungsarmgeglühten Zustand bereitgestellt. An der BAM wurden je Wärmebehandlungszustand mittels Senkerodieren zwei verschiedene künstliche Defektgeometrien im Schweißnahtübergang eingebracht.
Anhand der Proben wurden experimentell für alle vier Probenzustände Wöhlerlinien für ein Spannungsverhältnis von R = 0,1 ermittelt.
Zusätzlich wurde das u.a. an der BAM entwickelte IBESS-Verfahren angewandt, um die Wöhlerlinien analytisch zu bestimmen. Hierbei wurde eine sehr gute Übereinstimmung von Berechnung und Experiment erreicht, wobei die Berechnung zu einer leicht konservativen Lebensdauervorhersage führte.
The MBLabs consortium comprises various organizations that operate testing facilities encompassing a broad spectrum of tests relevant to the construction sector, particularly building envelopes. In the future, additional testing facilities will join the METABUILDING platform to offer their services. These services will be integrated in the MBLabs Open Innovation Test Bed and accessible via the METABUILDING platform. The METABUILDING platform is operated by the METABUILDING association.
In Task 8.5 the Quality Assurance system of the MBLabs OITB is developed. The presentation gives an overview regarding the development of this system after 3 years of project execution.
Übersichtsvortrag zu Korrosionsarten, die bei nichtrostenden Stählen unter verschiedenen Einsatzbedingungen auftreten können. Die Grundlagen zur Pasivität und der örtlichen Störung der Passivität werden im Zusammenspiel komplexer Einflussfaktoren des Korrosionssystems herausgestellt. Die erarbeiteten theoretischen Grundlagen werden anhand praktischer Beispiel für alle relevanten Korrosionsarten vertieft.
Korrosionsprüfung
(2024)
Der Vortrag gibt einen Überblick über gängige Korrosionsversuche. Die wesentlichen Unterschiede zwischen Prüf- und Untersuchungsverfahren, deren jeweilige Zielstellung, Aussagefähigkeit und Grenzen werden aufgezeigt. Es werden ausgewählte Auslagerungsversuche, Kammerprüfungen sowie elektrochemische Messmethoden zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit vorgestellt. Anhand praktischer Beispiele werden ausgewählte Ergebnisse der einzelner Methoden vorgestellt und diskutiert.
Einführungsvortrag im Rahmen der Veranstaltung der BAM-Akademie zur Anwendung der OECD TG 124 "Volume Specific Surface Area of Manufactured Nanomaterials" zu Herausforderungen bei der Granulometrie von Nanopulvern. Es werden die Einflüsse von Partikelform, Breite der Partikelgrößenverteilung und Agglomeration/ Aggregation auf das Messergebnis sowie die Vergleichbarkeit der Ergebnisse verschiedener Messverfahren dargelegt.
Die Erzeugung rissschließfreier Anrisse in gekerbten bruchmechanischen Proben für anschließende Ermüdungsversuche kann durch eine zyklische Druckbelastung an der Kerbe erfolgen: Bei der Erstbelastung wird eine plastische Verformung an der Kerbspitze erzeugt, welche Zugeigenspannungen und damit eine risstreibende Kraft bei der folgenden zyklischen Druckbelastung hervorruft. Durch das Risswachstum kommt es zu einer Entspannung, bis der Riss schließlich arretiert, weil die effektive risstreibende Kraft auf den Schwellenwert abgesunken ist. Um Kurzrisswachstum in additiv, mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) gefertigtem AISI 316L Stahl und seinem konventionell erzeugten, warmgewalzten Pendant zu untersuchen, wurde dieses Verfahren im Rahmen der vorliegenden Arbeit genutzt. Im Falle des additiv gefertigten Materials kam es zu unerwartet langem Ermüdungsrisswachstum, bevor der Riss arretierte. Zur Ermittlung der Ursache erfolgte eine Messung der Eigenspannungsverteilungen mittels Neutronendiffraktion in der Kerbebene der additiv gefertigten Proben. Anschließend wurde ein Finite-Elemente-Modell zur Simulation des Ermüdungsrisswachstums in konventionellem und additiv gefertigtem Material implementiert. Im Rahmen dieses Vortrages wird insbesondere auf das Vorgehen bei der Simulation und auf die getroffenen Annahmen und Vereinfachungen eingegangen. Die Resultate werden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen und das für die Simulation von Risswachstum genutzte Knoten-Freigabe-Verfahren (Node-Release), das Einbringen von Eigenspannungen als initiale Spannungen in der Simulation, und die Rechengrößen zur Quantifizierung der risstreibenden Kraft kritisch diskutiert.
Sunlight is an almost unavoidable environmental cue and plays a fundamental role in the biology of pro- and eukaryotic organisms. To cope with sunlight-associated stresses e.g., high temperatures, UV radiation, accumulation of reactive oxygen species, desiccation, and osmotic stress, it is important for organisms to accurately sense and respond to changes in light. The benefits of light are obvious for green organisms such as cyanobacteria, algae and plants which use light as an energy source (photosynthesis). Fungi that can share light-flooded habitats with phototrophs may profit from their excess photosynthetic products. Examples are the plant pathogen Botrytis cinerea, the gray mold fungus, and the rock inhabitant Knufia petricola, a microcolonial black fungus which forms multispecies biofilms with bacteria and algae.
Forschungsvorhaben RUNOFF
(2024)
Der Vortrag thematisiert die Grundlagen des Korrosionsschutzes. Dieser kann planungs-,werkstoff oder mediumsseitig erfolgen oder mit elektrochemischen Methoden umgesetzt werden. Der Vortrag beschreit die Korrosivitäten der Atmosphären und welche Maßnahmen für den Korrosionsschutz daraus abgeleitet werden können.
Korrosion und Korrosionsschutzverfahren: Teil 1 Grundlagern der Korrosion metallener Werkstoffe
(2024)
Der Übersichtsvortrag vermittelt Kenntnisse zu den Grundlagen der Korrosion metallischer Werkstoffe für das KKS Grundlagenseminar für erdverlegte Anlagen und Stahlbetonbau zur Vorbereitung auf die Zertifikatsprüfung DIN EN 15257. Diese Kenntnisse bilden die Grundlage zum Verständnis der Beeinflussung von Korrosionssystemen durch die Anwendung kathodischer Schutzmaßnahme
Mit dem Klimawandel verändert sich nicht nur das Wetter, also Regenmengen, Temperaturen oder Starkwind- bzw. Sturmzeiten. Mit diesen Veränderungen gehen auch Veränderungen der örtlichen Korro-siviät der Atmosphäre einher. Sind die Datengrundlagen der aktuellen nationalen und internationalen Normen mit Datenerhebungen aus den 1970igern und 80iger Jahren noch repräsentativ? Hierzu werden an realen Offshorestrukturen valide Daten erfasst, die als Grundlage für KI-basierte Modellbildung verwendet werden sollen.
Bakterielle Biofilme stellen in medizinischen und industriellen Bereichen ein ernsthaftes Problem dar. Eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen liegt in der zunehmenden Resistenz von Bakterien gegen Biozide, die bei antimikrobiellen Behandlungen eingesetzt werden, z.B. durch übermäßigen Einsatz in Medizin, Industrie und Landwirtschaft oder durch Reinigung und Desinfektion in Privathaushalten. Daher sind neue effiziente bakterienabweisende Strategien, die den Einsatz von Bioziden vermeiden, dringend erforderlich.
Ein vielversprechender Weg zur Erzielung bakterienabweisender Oberflächen liegt in der berührungslosen und aseptischen großflächigen Laserbearbeitung von technischen Oberflächen. Maßgeschneiderte Oberflächentexturen, ermöglicht durch verschiedene Laserbearbeitungsstrategien, die zu topographischen Skalen im Bereich von Nanometern bis Mikrometern führen, können eine Lösung für diese Herausforderung darstellen.
In dem Vortrag wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik bei der subtraktiven Texturierung von Laseroberflächen zur Kontrolle der Biofilmbildung bei verschiedenen Bakterienstämmen und in unterschiedlichen Umgebungen gegeben. Auf der Grundlage spezifischer Eigenschaften von Bakterien und laserbearbeiteten Oberflächen werden die Herausforderungen antimikrobieller Oberflächendesigns erörtert und zukünftige Richtungen aufgezeigt.
Metabolomics
(2024)
Holzkohlen im Seeverkehr - Selbstentzündung vermeiden, sichere Beförderungsbedingungen schaffen
(2024)
Mit der Abkehr von der Nutzung fossiler Rohstoffe rücken regenerative Energieträger immer weiter in den Focus. Neben klassischen Holz- und Pflanzenkohlen werden verstärkt so genannte Biokohlen produziert. Dieser Begriff findet Verwendung für mit Hilfe verschiedener Verfahren karbonisierte pflanzliche, tierische oder mikrobielle Ausgangsstoffe. Diese Kohlen werden zum Teil über weite Strecken zum Bestimmungsort transportiert (Überseetransporte) oder vor Verwendung für längere Zeit gelagert.
Häufig zeigen diese Kohlen ein kritisches Selbstentzündungsverhalten, wobei Einstufungstests (UN N.4 Test) versagen können. Ein negatives Testergebnis des UN N.4 Tests führte dabei in der Vergangenheit zur Nichteinstufung als selbsterhitzungsfähiger Stoff; in der Praxis entzündeten sich aber bereits vergleichsweise kleine Schüttungen (einige m³), z. B. beim Seetransport in Containern. Ergebnisse eines Projektes zur systematischen Untersuchung verschiedener Pflanzenkohlen werden vorgestellt.
Im Rahmen des 2. BAM-Akademie Info-Tages "Nano or not Nano" wurde die OECD TG 124 "Volume Specific Surface Area of Manufactured Nanomaterials" vorgestellt. Der Vortrag beschreibt detailliert das Messverfahren der He-Gaspyknometrie zur Bestimmung der Skelettdichte von Pulvern und geht auf Anwendbarkeit, Besonderheiten bei Nanopulvern und wichtige Einstellparameter für die Messung ein.
The hydrogen economy is one of the main solutions for achieving climate neutrality in Europe. Metallic materials, predominantly steels, are the most common structural materials in the various components along the hydrogen supply chain. Ensuring their sustainable and safe use in hydrogen technologies is a key factor in the ramp-up of the hydrogen economy. This requires extensive materials qualification, however, most of the accepted, and standardised test methods for determining the influence of gaseous hydrogen on metallic materials describe complex and costly procedures that are only available to a very limited extent worldwide (e.g., autoclave technique).
The hollow specimen technique is presented as an alternative method that can overcome the limitations of current techniques and complement them. To standardise the technique, a process has been initiated by ISO in 2021. Knowledge gaps for tests with the technique in hydrogen have been identified by DIN. The H2HohlZug project, which falls under the umbrella of TransHyDE, aims to address the identified knowledge gaps and provide a foundation for a comprehensive standardisation of the hollow specimen technique.
Der Vortrag gibt einen Überblick über die Erzeugung und Charakterisierung anisotroper Nanostrukturen mittels ultrakurzgepulster Laserstrahlung. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Phänomen der sogenannten Laser-induzierten periodischen Oberflächen-Nanostrukturen auf dielektrischen Werkstoffen und ihrer zeitlichen Dynamik. Weitere Beispiele von Volumen-Nanostrukturen aus der Literatur werden diskutiert.
Zur Erweiterung der Anwendungserfahrungen nichtrostender Stähle, insbesondere von Lean-Duplex-Stählen, unter maritimen Einsatzbedingungen, wurden Testracks auf der Umspannplattform OSS des Windparks Hohe See errichtet. Hier wurden neben Standardproben zur Korrosivitätsbestimmung nach ISO 9223 auch mehrere Serien nichtrostender Stahlgüten mit unterschiedlichen Oberflächen, Spaltausbildungen und Verarbeitungszuständen ausgelagert und nun nach 1-jähriger Bewitterungszeit bewertet. In diesem Beitrag werden Oberflächenzustände, Korrosionszustände und Lochtiefen dieser Probekörper gezeigt.
As energy carrier of the future, green hydrogen can make a decisive contribution to a sustainable energy supply. Particularly important is the decarbonization of heavy industry. Therefore, a reliable supply of hydrogen must be guaranteed. A hydrogen pipeline grid can achieve this purpose. In Europe concrete plans for a hydrogen pipeline grid already exist, as the so called “European Hydrogen backbone”. As building a completely new pipeline grid is economically not justifiable, a dual-way strategy of repurposing natural gas (NG) pipelines and newly built pipelines is intended. Long distance pipeline grids require regular maintenance and repairs. For natural gas (NG) pipelines in-service welding is state of the art. Concepts such as hot-tapping (drilling into pressurized pipelines) and “stoppling” (sealing off pipeline sections after installing bypasses or pressure relieves) allow the repair of damaged pipeline sections or the installation of new branches without shutting the pipeline down, which in most cases isn’t possible from an economic standpoint. The EIGA 121/14 guideline already pointed out in 2014 that “a hydrogen hot-tap shall not be considered a routine procedure”. This shows that the determination of the transferability of these repair concepts to hydrogen pipelines is of utmost importance. Due to the degrading effects of hydrogen on mechanical proper-ties, commonly referred to as “hydrogen embrittlement” it is necessary to understand and investigate the occurring effects. In the special case of repair welding on in-service hydrogen pipelines an increased hydro-gen uptake due to a large heat input and microstructural changes in the material needs to be considered. Therefore, material degradation must be investigated to determine whether modifications of repair procedures are necessary to ensure a reliable and safe hydrogen transportation via pipelines. For this reason, this paper gives an overview on existing weld repair concepts and its risks and limitations in terms of hydrogen absorption and possible embrittlement effects when transferred to hydrogen pipelines. The complexity lies in a large variety of materials (low alloyed steels), pipeline diameters and corresponding welded joints. The material compatibility of materials in used (repurposed NG-pipelines) and new condition must be investigated. Particularly for repurposed/used pipelines the effect of a pre-matured/corroded inner surface and sometimes insufficient documentation of the material “history” needs to be considered. An overview on ongoing and completed R&D-projects with respect to repair concepts for hydrogen pipelines and hydrogen effects on pipeline materials is given. The focus hereby lies on possible methods of material testing and modeling. Its current difficulties, limits and possible solution will be discussed.
Contemporary steels creep-resistant steels like the 13CrMoV9-10 are used as thick plates e.g., for applications in hydrocrackers. The large plate thickness requires high efficiency welding processes like submerged arc welding (SAW) and a mandatory post weld heat treatment (PWHT). The PWHT-parameters stem from a combination of empirical knowledge and traditional experiments on free shrinking (FS) welds. In that connection, the formation of so-called stress-relief cracking (SRC) must be anticipated. The SRC susceptibility of a welded component is a complex combination and interaction of com-ponent specific, thermal, and metallurgical factors. Many of which have to date not been conclusively researched. For example, it is well known that SRCs develop during PWHT due to formation and growth of carbides on prior austenite grain boundaries, resulting in a significant hardness increase (secondary hardening) and toughness decrease. This leads to a high SRC susceptibility of the coarse grain heat-affected zone (CGHAZ) of the last weld bead during PWHT. This is intensified in case of high residual stresses from the component-specific, structurally induced stiffness. In combination with multi-layer welding this leads to a multiaxial stress distribution. Nonetheless, the combined effect of PWHT and high-residual stresses on the SRC formation is merely unknown. For that reason, this study presents the effect of different heating rates in conjunction with a certain component stiffness. For that reason, SAW joints of 13CrMoV9-10 steel were investigated under FS and defined external restraint condition.
Microalloying elements such as Nb and Ti play a decisive function in achieving the desired mechanical strength of quenched and tempered, high-strength fine-grain structural steels with a nominal yield strength ≥ 690 MPa. The current specifications for the chemical composition only provide manufacturers with upper limits. However, even minor deviations in the alloy concept can have a significant impact on the mechanical properties. Consequently, accurate prediction of weldability and the integrity of welded joints becomes difficult or even impossible due to differences in composition and the resulting microstructures. Undesirable consequences include a possible softening of the heat-affected zone (HAZ) or, conversely, hardening effects. In view of these challenges, various microalloying strategies with different Ti and Nb contents are being systematically investigated for the first time using specially developed laboratory casting alloys. Each alloying route is based on the common S690QL, maintaining both the chemical composition and the heat treatment parameters. To analyse the weldability, three-layer welds were performed using gas metal arc welding (GMAW) and critical microstructures, such as areas of the heat-affected zone (HAZ) that exhibit significant softening or hardening, were identified. The effect of the softened HAZ region on failure was evaluated using transverse tensile specimens. Digital image correlation (DIC) is used to image changes in local strains in different HAZ regions in situ. Using a specially developed mirror system, the local strains of the microstructure zones on the top and bottom of the weld are recorded simultaneously. This makes it possible to analyse how the weld seam geometry (e.g., V-seam) influences the strain gradients. In addition, the analysis of the local deformation helps to understand the effects of the softened HAZ on the global strain, the fracture constriction, the fracture position, and the overall fracture behavior.
Joining and welding technologies are of high importance for the manufacturing of components and parts used in sustainable energy generation, conversion, and transport. In that connection, offshore and on-shore installed wind turbines are of high interest for the generation of electrical energy as well as photo-voltaic systems (solar cells). The electricity can be either directly transported or conversed via power-to-gas e.g., to hydrogen. In that scope, electrolyzer up to MW-range are of interest as well as the conver-sion back to electricity via fuel cells. In addition, hydrogen is a key element of the decarburization of in-dustries as well as the mobility sector encompassing sea, air and land transportation driven by hydrogen or its derivates. Well-known examples cover the direct reduction of iron ore to replace the conventional blast furnace process up to gas turbines or fuel cells for home-end use. All mentioned technologies re-quire reliable components, which are to a high extend dependent on joining and especially welding pro-cessing of materials. Especially, the (petro-) chemical industry has many years of experience with both materials used in hydrogen applications. The challenge is e.g., the transition to mass production of sys-tem components of electrolyzers/fuel cells and for distribution grids. At this point, the scalability of cur-rently applied joining processes often limits the economic efficiency, whereas especially laser welding or additive manufacturing will be of high interest. In that connection, it is very important to provide answers by joint research of universities, institutes, and industrial companies. Very often, solutions are already available and “just” have to be investigated and adapted for the new application, like repair welding of NG pipelines. For that reason, we want to set up a series of comprehensive papers with the aforementioned title. The idea is to get an in-depth but manageable overview of the importance of joining technologies in sustaina-ble energy generation, conversion, and transport encompassing current processes, limitations, and fur-ther perspectives. In that connection, the additive manufacturing is gaining more and more attention. If applicable, current challenges in the adaption or creation of new standards/regulations shall be addressed.
Ein großer Teil unserer Brücken wurden in den 1950er bis 1970er Jahren als Spannbetonbrücken gebaut. Mit der damals noch relativ jungen Technologie entstanden elegante, teilweise gewagte Bauwerke mit großen Spannweiten, welche die Vorteile der Materialien Stahl und Beton geschickt kombinieren. Die Standsicherheit einiger dieser Brücken ist heute gefährdet. Die Ursachen liegen in der enorm gewachsenen Belastung durch Schwerverkehr, teilweise ungenügender Wartung und in konstruktiven und Materialschwächen, die der mangelnden Erfahrung mit der Technologie in der Bauzeit geschuldet sind. Ein neuralgischer Punkt der Bauwerke sind die in den Beton integrierten Spannglieder. Infolge von Korrosion und Ermüdung können Elemente der Spannglieder reißen, wodurch die für das Tragwerk notwendige Spannung und somit die Tragfähigkeit reduziert werden. Nicht bei allen Brücken kündigen sichtbare Risse im Beton oder auffällige Verformungen den Tragfähigkeitsverlust bzw. das finale Versagen rechtzeitig an.
Die Schallemissionsanalyse ist die derzeit einzige Methode, das Reißen einzelner Spannstähle zuverlässig und mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu detektieren. Trotzdem es schon einige Spannbetonbauwerke gibt, die mit Schallemissionsanalyse überwacht werden, ist das Verfahren noch wenig bekannt. Außerdem fehlen technische Richtlinien, was die Ausschreibung und Vergabe von entsprechenden Aufträgen und die Bewertung der Angebote sehr erschwert. Um sowohl Baulastträger als auch Dienstleistungsanbieter in den Vergabeverfahren und im Betrieb der Monitoringsysteme zu unterstützen, hat sich eine Gruppe von Experten aus den Bereichen Bauingenieurwesen und Schallemission zum Entwurf einer Richtlinie „Detektion von Spanndrahtbrüchen mit Schallemission“ zusammengefunden. Mit diesem Beitrag wird die Richtlinie vorgestellt, die 2024 erscheinen soll.
The overview of the activity of Federal Institute for Material Research and Testing (BAM, Belin, Germany) in the field material characterization by X-ray imaging is presented. The principle of X-ray Computed Tomography (XCT) is explained. The multiple examples of application of quantitative analysis by XCT are reported, such as additive manufacturing, Li-ion battery, concrete research.
Demonstrationsexperimente
(2024)
Der Beitrag zeigt die Mechanismen, Voraussetzungen und Einflussgrößen der Bimetallkorrosion wichtiger Werkstoffe im Kontakt mit nichtrostenden Stahl anhand von verschiedenen Beispielen. Darüber hinaus wird das Korrosionsverhalten von nichtrostenden Stahl im Kontakt mit Holz als saurer Baustoff und mit Beton als alkalischer Baustoff beschrieben.
Mikrolegierungselemente wie Nb und Ti sind entscheidend für die erwünschte mechanische Festigkeit von vergüteten Feinkornbaustählen mit einer Nennstreckgrenze von ≥ 690 MPa. Aktuelle Spezifikationen geben lediglich Obergrenzen für die chemische Zusammensetzung vor, allerdings können geringfügige Abweichungen erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften haben. Die Vorhersage der Schweißbarkeit und Integrität von Schweißverbindungen stellt aufgrund der variierenden Zusammensetzung und Mikrostrukturen Herausforderungen dar. Unerwünschte Effekte wie Erweichung der Wärmeeinflusszone (WEZ) oder Verfestigung können auftreten. Um dies zu untersuchen, wurden verschiedene Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten an Laborschmelzen erforscht. Die Basis jeder Route entsprach der üblichen S690QL in Zusammensetzung und Wärmebehandlung. Dreilagenschweißungen wurden mittels Metallaktivgasschweißens (MAG) durchgeführt, um kritische Gefügebereiche zu identifizieren. Die Analyse konzentrierte sich auf Phasenumwandlungen während der Abkühlung und metallurgisches Ausscheidungsverhalten. Die mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte wurden durch Zugversuche ermittelt. Die Ergebnisse zeigen einen bedeutenden Einfluss der Mikrolegierungsroute und Schweißwärmezufuhr auf die Ausscheidungskinetik, trotz insgesamt guter Schweißbarkeit der Werkstoffe.
An overview of personal experience with laser-induced plasma (LIP) will be given. The combination of LIP with laser-induced fluorescence, atomic absorption, Raman spectroscopy and spatial heterodyne spectroscopy for elemental and isotopic analysis will be discussed. Unusual applications of LIP will be covered, such as LIP-based lasers and LIP-based chemical reactors.
Im Verbundforschungsprojekt REALight wurden Leichtgranulate aus gemischtem Mauerwerkbruch in einem thermischen Blähverfahren im Pilotmaßstab hergestellt. Im Teilprojekt der BAM stand die Charakterisierung dieser Leichtgranulate und ihre Anwendung in gebundenen Systemen im Vordergrund. Im Rahmen des Abschlussvortrags wurden Ergebnisse zur Entwicklung von Steinergänzungsmörteln sowie Infraleichtbeton vorgestellt.
Die Laserbearbeitung von Materialien mit ultrakurzen Laserpulsen kann zu einer sekundären Emission gefährlicher Röntgenstrahlen führen. Dieser Effekt wurde bisher bei der Bearbeitung von technischen Materialien wie Metallen beobachtet. Die Röntgenemission bei der abtragenden Bearbeitung von biologischen Geweben ist noch weitgehend unerforscht. Der Vortrag präsentiert erste Untersuchungen und Ergebnisse des radiologischen Gefährdungspotentials bei der medizinischen Anwendung von Ultrakurzpulslasern am Menschen.