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This tutorial provides an overview of the utilization of sensor systems in hydrogen technologies. It discusses the necessary criteria and characteristics of sensor systems, and also demonstrates practical applications of these technologies in terms of safety and process control. Emphasis is placed on various types of sensors such as gas sensors, pressure sensors, temperature sensors, and gas flow sensors. These systems find application in monitoring and regulating operational parameters, detecting potentially dangerous situations, and activating alarm systems.
Um den Aspekt der Strategie zur Fehlervermeidung und Schadenprävention in Wasserstofftechnologien zu integrieren, ist es entscheidend, proaktiv auf potenzielle Schwachstellen in den Systemen und Prozessen zu achten. Dies beinhaltet die Implementierung von präventiven Maßnahmen als Elemente des Sicherheitsmanagements, um mögliche Fehlerquellen zu identifizieren und zu eliminieren. Darüber hinaus sollten Schulungen gezielt auf die Vermeidung von Fehlern und die sichere Anwendung von Wasserstofftechnologien ausgerichtet sein. Eine durchdachte Strategie zur Fehlervermeidung trägt wesentlich dazu bei, Unfälle zu verhindern und die Gesamtsicherheit bei der Nutzung von Wasserstoff zu erhöhen.
The success of this energy transition and the efficient utilization of green hydrogen as a pristine energy carrier hinge upon the cultivation of hydrogen readiness, swift market expansion, and the establishment of crucial value chains within national and European contexts. Paramount to these objectives are reliable quality and safety standards, essential for ensuring supply safety, environmental compatibility, and instilling confidence in these technologies.
In the realm of safety management systems, gas sensors emerge as vital components for detecting hydrogen. This presentation delves into the imperative role of hydrogen systems, emphasizing their capability to monitor and control operations, issue warnings, signal hazardous conditions, and sound alarms. It explores the intricate landscape of functional safety considerations and addresses the challenges associated with measurement uncertainty in sensor testing.
A diverse array of sensors catering to hydrogen, pressure, temperature, and flow are available, each contributing significantly to the safety and efficiency of hydrogen technologies. Applications are envisaged to adhere meticulously to quality infrastructural regulations, codes, and standards, ensuring seamless integration and operation within the broader hydrogen ecosystem.
This discussion underscores the ubiquitous presence of sensor systems across various fields within hydrogen technologies, illustrating their multifaceted contributions to safety, reliability, and overall success in realizing the transformative potential of green hydrogen.
The success of this energy transition and the efficient utilization of green hydrogen as a pristine energy carrier hinge upon the cultivation of hydrogen readiness, swift market expansion, and the establishment of crucial value chains within national and European contexts. Paramount to these objectives are reliable quality and safety standards, essential for ensuring supply safety, environmental compatibility, and instilling confidence in these technologies.
In the realm of safety management systems, gas sensors emerge as vital components for detecting hydrogen. This presentation delves into the imperative role of hydrogen systems, emphasizing their capability to monitor and control operations, issue warnings, signal hazardous conditions, and sound alarms. It explores the intricate landscape of functional safety considerations and addresses the challenges associated with measurement uncertainty in sensor testing.
A diverse array of sensors catering to hydrogen, pressure, temperature, and flow are available, each contributing significantly to the safety and efficiency of hydrogen technologies. Applications are envisaged to adhere meticulously to quality infrastructural regulations, codes, and standards, ensuring seamless integration and operation within the broader hydrogen ecosystem.
This discussion underscores the ubiquitous presence of sensor systems across various fields within hydrogen technologies, illustrating their multifaceted contributions to safety, reliability, and overall success in realizing the transformative potential of green hydrogen.
Der Beitrag beinhaltet Themen vom H2Safety@BAM-Kompetenzfeld Sensorik, Analytik und zertifizierte Referenzmaterialien (SensRef) mit Fokus auf Mess- und Prüfverfahren mit verschiedenen Sensortechnologien und Ultraschallwellen:
Metrologie zur Wasserstoffspeicherung - Euramet-Vorhaben "MefHySto",
Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhälntisses mit Gassensoren, zerstörungsfreie Fehlstellenerkennung mit integriertem Zustandsüberwachungssystem basierend auf geführten Ultraschallwellen zur Lebensdauerüberwachung von Composite-Behältern (Wasserstoffspeicher) sowie faseroptische Sensorik zur Schadenfrüherkennung von Wasserstoffspeichern aufgrund erkennbarer Dehnungsänderungen an Druckbehältern.
Technische Richtlinien enthalten Empfehlungen sowie Anforderungen zum Stand der Technik zur Aufstellung von Bewertungskriterien und Behandlung wissenschaftlich-technischer Fragen. Sie fördern den Erfahrungsaustausch und Technologietransfer zwischen Entwicklern und Anwendern.
In unserem Beitrag stellen wir die Richtlinie VDI/VDE 3518 vor. Diese Richtlinienreihe definiert Begriffe, beschreibt den Aufbau und klassifiziert Multigassensoren (Blatt 1), befasst sich mit den Anforderungen für das Unterscheiden, Erkennen und mengenmäßige Bestimmen von Gemischen gasförmiger Stoffe und die Prüfung von Multigassensoren (Blatt 2) und gibt Anleitung für geruchsbezogene Messungen mit „Elektronischen Nasen“ (Blatt 3). Multigassensoren können als elektronische Nasen in Anlehnung an den biologischen Geruchssinn zur Wahrnehmung und Charakterisierung von Gerüchen eingesetzt werden. Die Spezifik von Multigassensoren besteht darin, dass durch die Wahl und Betriebsweise der Sensoren eine Vielzahl von geeigneten Messsignalen erzeugt werden, aus denen mit mathematischen Verfahren die für die Anwendung gewünschten Informationen extrahiert werden. Dazu ist ein Training der Messeinrichtung mit Proben bekannter Eigenschaften notwendig.
Diese Richtlinie soll Herstellern, Anbietern und Nutzern als ein Leitfaden Informationen und Erläuterungen für die korrekte und sichere Arbeit mit Multigassensoren liefern. Sie soll Prüflaboratorien und Anwendern helfen, bei der Beurteilung von Qualitätsmerkmalen einheitlich vorzugehen und dafür gemeinsame Randbedingungen anzugeben
Emissions of ammonia into the environment are mainly caused by agriculture, but also by combustion processes in waste and by road traffic. Even at low concentrations, this substance is not only an odour nuisance, but also a substance with ecological and climatic relevance. Therefore, BAM tested commercial electrochemical, and metal oxide based sensors, which have limited suitability for measuring in the environmental molar fraction range. Alternatively, own developments for the detection of ammonia in the trace range were implemented, wherein the analyte is measured by changing the fluorescence of a BODIPY dye at 550 nm by means of a portable fluorescence sensor directly from the gas phase. For the calibration of ammonia sensors and measuring instruments, a stationary system based on the mixture of certified test gases from pressure cylinders with calibrated mass flow controllers is available. A test gas generator was developed for on-site calibration and testing of sensors and measuring devices. The generation of ammonia-containing gases in the environmental relevant range of levels below 1000 nmol/mol is carried out by the permeation method according to ISO 6145-10. For the traceability of ammonia, standards are provided and further developed by the National Metrological Institutes and designated institutes. Metrological standards are based on SI units and are a basis for traceability of sensors or gas analysers.
IMS trägt zur Luftfrachtsicherheit bei Luftsicherheitsgesetze verpflichten Luftsicherheitsbehörden, Flughafenbetreiber und Fluggesellschaften umfassende Sicherheitsmaßnahmen auf den Flughäfen zu ergreifen, um Gefahren z. B. durch potenziell gefährliche Frachtgüter zu erkennen. Von der Europäische Zivilluftfahrt-Konferenz (ECAC) zertifizierte IMS-Geräte werden vor Ort an den Kontrollpunkten orthogonal zur Radiologie eingesetzt, um chemische Informationen von verdächtiger Fracht über Gefahrstoffe wie Sprengstoffe oder Drogen vor dem Verladen zu erhalten.
Vor der Detektion von Sprengstoffen beginnt die Untersuchung eines verdächtigen Objekts mit der Probenahme mittels Wischprobensammlern. Eine Luftsicherheitskontrollkraft wischt dabei Oberflächen des Objekts mit einem Probensammler ab, um Partikel von Gefahrstoffen zu sammeln. Der beladene Probensammler wird anschließend in einen Probeneinlass eingeführt. Nach thermischer Desorption der gesammelten Stoffe erhält der Bediener (z. B. Luftsicherheitskontrollkraft) ein boolesches Ergebnis - "Alarm" oder "Kein Alarm".
Verfahren und Ergebnisse
In dieser Studie wurden drei Verfahren mit vier ECAC-zertifizierten ETD-Geräten zur Identifizierung und Beurteilung der Probenahme (PN) entwickelt:
I) direkte PN durch lösemittelbasierten Auftrag einer bekannten Sprengstoffmenge auf einem Probensammler,
II) Auftrag einer bekannten Menge eines gelösten Sprengstoffs auf einem 10 cm × 10 cm Substrat (Aluminium, Papier, Eisen und Polyvinylchlorid) und manuelle PN nach Lösemittelverdampfung,
III) lösemittelbasierter Sprengstoffauftrag auf eine PTFE- oder PTFE-beschichtete Glasfaseroberfläche, nach Lösemittelverdunstung trockene Übertragung auf das zu beprobende Substrat zur PN.
Der Zusammenhang zwischen vorgelegter Sprengstoffmenge und der Detektionswahrscheinlichkeit (POD) erfolgt durch Anwendung des binären Regressionsverfahrens mit einer Logit-Funktion:
POD=1/(1+exp(-A(m-B)) )·100%
Dabei entspricht m der vorgelegten Sprengstoffmasse bis 1000 ng, Parameter A / ng-1 der logistischen Wachstumsrate der Kurve und Parameter B / ng dem m-Wert des Mittelpunktes des Sigmoids. Die Bestimmung der Parameter wurde nach der Methode der kleinsten Quadrate berechnet.
Das entwickelte Messunsicherheitsmodell kombiniert quantitative Ergebnisse aus Stammlösung und deren Verdünnungen sowie Stoffauftrag und qualitative Ergebnisse nach Anzeige "Alarm" oder "Kein Alarm". Dieses Auswerteverfahren wurde auf die Probenahme angewandt. Identifizierte Unsicherheitsursachen sind die Durchführung der Wischprobenahme, Staub, Lösemitteleffekte und die Unsicherheit bei der Herstellung von Testlösungen.
Die Varroose gilt weltweit als eine der bedeutendsten Erkrankungen der westlichen Honigbiene, Apis mellifera. Verursacht wird sie durch den Ektoparasiten Varroa destructor, der durch Saugen der Hämolymphe und Virenübertragung sowohl die Bienenbrut als auch die adulten Individuen schädigt.
Ohne imkerliche Unterstützung gehen betroffene Bienenvölker in der Regel innerhalb von drei Jahren ein. Als bewährte, häufige Behandlung wird flächendeckend 60%ige Ameisensäure (AS) -im Bienenstock appliziert über verschiedene Verdampfungssysteme- eingesetzt. Sie wirkt als einziger zugelassener Wirkstoff gegen die Varroamilbe auch in die verdeckelte Brut hinein und birgt kein Risiko der Resistenzentwicklung.
Allerdings ist das therapeutische Fenster, der Bereich zwischen Milbenabtötung und Bienenschädigung, relativ schmal und die tatsächliche AS-Konzentration im Bienenstock stark abhängig von äußeren Einflussfaktoren, wie Temperatur oder Applikationsart.
Eine Bestimmung der exakten AS-Konzentration im Bienenstock ist also notwendig, um einerseits das Wirkungsoptimum zu bestimmen und andererseits bei Übersteigen der Maximalkonzentrationen mit Folge-Schädigung der Bienen, ein rechtzeitiges Eingreifen der Imker zu ermöglichen.
Die Entwicklung eines Detektors zur Bestimmung der tatsächlichen AS-Konzentration in der Bienenstockluft würde einen großen Fortschritt in den Bereichen der Bienenforschung, der Varroa-Behandlung in der Imkerei, sowie einer gesundheitlich bedenklichen AS-Exposition für den Imker bedeuten.
Langfristiges Ziel dieses Projekts ist es, ein mobiles, einfach handhabbares Gerät zur Detektion der AS-Konzentration in der Bienenstock-Luft während einer AS-Behandlung zu entwickeln.
Grundlage hierfür bietet ein kommerziell verfügbares Multigassensorsystem (PEN3, AIRSENSE Analytics GmbH, Schwerin).
Ziel der beschriebenen Vorversuche ist die generelle Eignungsprüfung des Multigassensorsystems PEN3 zur Detektion der hohen AS-Konzentration in Gasgemischen unter Bedingungen wie sie im Bienenstock während einer AS-Behandlung herrschen.
Als Messplatz zur Detektion von AS in Luft wurden zwei Systeme vorbereitet:
A) Eine Plexiglasbox mit einem Volumen von ca.1,9 l diente als Prüfkammer, wurde von einem Gasstrom befeuchteter synthetischer Luft durchströmt (50 mL min-1, 100 mL min-1 oder 300 mL min-1) und zur Temperierung auf 25 °C auf einer Heizmatte bzw. auf 35 °C in einem Ofen platziert. AS-Wasser-Gemische verschiedener Volumenverhältnisse (0-100%) wurden in einer Glasschale (Oberfläche Flüssigphase 9,6 cm2) in der Prüfkammer vorgelegt.
B) In einer durch eine Heizmatte auf 25 °C temperierten, zwei-zargigen Segeberger Beute wurden vier Messpunkte angebracht (davon drei in der oberen und einer in der unteren Etage) und 60%ige AS über einen Nassenheider-Verdampfer vertikal vorgelegt.
Zur Detektion des AS-Luft-Gemischs wurde das PEN3 Multigassensorsystem genutzt. Das zu untersuchende Gasgemisch wurde über die internen zehn Metalloxid-Halbleiterdetektoren (1-10) der PEN3 geleitet. Das so generierte Messsignal beschreibt ein Widerstandsverhältnis zwischen dem Widerstandwert zum Zeitpunkt der Messung (R) und dem elektrischen Widerstand bei der Nullluft-Messung (R0), wobei hier befeuchtete synthetische Luft mit einer reltativen Feuchte von 49 % ± 4 % oder Raumluft genutzt wurde. Gase unterschiedlicher Zusammensetzung können anhand der dargestellten Signalmuster verschiedener Sensoren voneinander unterschieden werden.
In beiden Messsystemen wiesen die Sensorelemente 1, 6, 7, 8 und 9 gesteigerte Sensitivitäten beim Vorliegen von Ameisensäure im Gasgemisch auf. Die größten Widerstandsverhältnisse zeigten dabei die Sensorelemente 6, 8 und 9, sodass hier von der höchsten Empfindlichkeit für AS auszugehen ist.
Basierend auf den erhobenen Messdatensätzen wurden Hauptkomponenten- (PCA) und lineare Diskriminanzanalysen (LDA) zur Dimensionsreduktion durchgeführt, um charakteristische Muster aus den Messsignalen zu extrahieren. Die PCA- und LDA-Plots für die jeweils bedeutsamsten Komponenten PC 1 und PC 2 bzw. LD 1 und LD 2 eines Versuchslaufs in der Plexiglasbox (A) bei einer Temperatur von 35°C, einem Volumenstrom von 300 mL min-1 und variablen Ameisensäure-Wasser-Volumenverhältnissen von 0 % bis 100 %. Deutlich erkennbar sind die Abhängigkeiten der Komponenten PC 1 und LD 1 (Abszissen) vom vorgelegten AS-Wasser-Volumenverhältnis. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Multigassensorsystem zur Bestimmung von AS in Luft unter ähnlichen Bedingungen wie bei einer AS-Behandlung im Bienenstock angewandt werden kann.
Die Versuche zeigen, dass die im PEN3 eingesetzten Metalloxid-Sensoren bzw. Metalloxidsensor-Arrays zur Detektion von AS in Luft auch bei höheren Konzentrationen als beispielsweise der MAK-Wert von 5 µmol/mol zur Überwachung des AS-Gehaltes in Bienenstöcken angewandt werden können. Aufgrund der Möglichkeit der quasi Echtzeit-Messdatengenerierung, der geringen Kosten kommerziell verfügbarer Sensorelemente, der Portabilität und der Möglichkeit zur Miniaturisierung zeichnen sich solche Messsysteme zukünftig durch eine besondere Praxisnähe aus. Diese Erkenntnisse sind Grundlage für eine Verbesserung des Detektionsverfahrens und zur Vorhersage über die Effizienz und Effektivität der Varroha-Milbenbehandlung.
Intelligent sensor systems, certified reference materials and instrumental analytical-chemical methods contribute to safety and functionality in hydrogen technologies.
This article gives a brief overview of SensRef activities in the Competence Centre H2Safety@BAM on the issues: Analytical methods for the determination of hydrogen purity, certified reference materials as measurement standards with regard to gas quality (primary calibrators) of BAM, test methods for gas sensor systems to detect hydrogen in air as well as the application of fibre-optic sensor systems to monitor the expansion and ageing behaviour of composite containers in hydrogen technologies.
Die Effizienz von Gassensoren zur sicheren Verwendung von Wasserstoff hängt wesentlich von der Reaktion des Sensors auf eine Änderung der Wasserstoffkonzentration ab. Daher wurde die Ansprechzeit von fünf im Handel erhältlichen Wasserstoffsensoren unterschiedlichen Messprinzips bestimmt. Experimente haben gezeigt, dass alle Sensoren die Anforderungen der Norm ISO 26142 übertreffen; es wurden Ansprechzeiten im Bereich (t90-Zeiten) von 2 s bis 16 s ermittelt. Die Ergebnisse können mit Exponential- oder Sigmoidalfunktionen approximiert werden. Es kann gezeigt werden, dass die Ergebnisse zum transienten Verhalten sowohl von den Betriebsparametern der Sensoren und Prüfverfahren als auch von den experimentellen Bedingungen wie Gaswechselrate sowie Konzentrationssprung abhängen.
The determination of the measurement uncertainty of quantitative and qualitative results is an important quality management tool, for example to describe measuring equipment, procedures, measurement results and the quality of products. The lecture presents the process description for the determination of the measurement uncertainty according to GUM, the determination of uncertainties in qualitative measurement results and the application of the measurement uncertainty for conformity assessment.
The evaluation of measurement uncertainty is essential for testing and calibration laboratories. This paper provides a general process description for the determination of the measurement uncertainty of quantitative data and its application to the conformity assessment with examples, and how to deal with the uncertainty of qualitative (Boolean) results, e. g. when "Alarm" or "No alarm" occours in an instrument display.
Die Nutzung von Sensortechnologien, insbesondere im Bereich der Gasdetektion mit einem Schwerpunkt auf Wasserstoff, spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungsbereichen der Wasserstofftechnologie. Sicherheitsüberwachung, Leckdetektion und Prozesskontrolle gehören zu den prominenten Anwendungsgebieten dieser Sensortechnologien. Ein zentrales Ziel ist die Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die genaue Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhältnisses mithilfe von Gassensoren. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um potenzielle Gefahren frühzeitig zu erkennen und angemessene Maßnahmen zu ergreifen.
Ein weiterer Schwerpunkt dieses Beitrags liegt auf der Analytik und der Verwendung zertifizierter Referenzmaterialien in Verbindung mit Metrologie für die Wasserstoffspeicherung. Dies gewährleistet eine präzise und zuverlässige Charakterisierung von Wasserstoff und unterstützt die Entwicklung sicherer Speichertechnologien. Im Rahmen des Euramet-Vorhabens Metrology for Advanced Hydrogen Storage Solutions (MefHySto) wird eine Kurzvorstellung präsentiert.
Der Vortrag stellt zwei zerstörungsfreie Prüfverfahren zum strukturellen Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring, SHM) für Wasserstofftechnologien vor. Insbesondere die Fehlstellenerkennung mittels geführter Ultraschallwellen spielt eine bedeutende Rolle bei der Lebensdauerüberwachung von Wasserstoffspeichern. Ein weiterer Aspekt ist die Anwendung faseroptischer Sensorik zur Schadensfrüherkennung von Wasserstoffspeichern. Diese zerstörungsfreien Prüfverfahren ermöglichen eine präzise und frühzeitige Identifizierung von Schäden, was die Sicherheit und Effizienz von Wasserstoffspeichersystemen entscheidend verbessert.
The lecture about gas sensor characterization and calibration contains the content of 3S: Sensitivity, selectivity and stability, sensor drift, aging and poisoning as well as gas mixing systems for laboratory and field calibration, measurement uncertainty for sensor calibration and traceable calibration of gas sensor systems.
Ein Durchlaufkühler ist im Betrieb explodiert. Die zerborstenen Gehäuseteile aus Kunststoff führten zu einem Austreten der Kühlflüssigkeit am Betriebsort sowie zu einem Personenschaden mit Knalltrauma. Bei Funktionsprüfungen am beschädigten Gerät traten unerwartet, aber reproduzierbar Knalleffekte auf der Kupfer-Kühlschlange auf. Ein möglicher Mechanismus konnte im Labor durch Synthese von Kupferazid auf Kupferproben und Auslösung vergleichbarer Knalleffekte nachgestellt werden. Damit ist die Plausibilität des beschriebenen Schadensereignisses mit diesem oder einem ähnlich reagierenden Stoff belegt. Ein eindeutiger Nachweis darüber, dass beim aufgetretenen Schadensfall dieselbe chemische Reaktion stattgefunden hat ist nicht möglich, da die Belag-Überreste aus dem explodierten Kühlgerät für eine Analyse nicht mehr in ausreichender Menge verfügbar waren.
Irrespective of the experimental care used to acquire Computed Tomography Data, certain artifacts might still exist such as: Noise, Blurring, Ring Artifacts etc. To tackle this problem, a complete multi-level framework employing AI (Deep Artificial Neural Nets), targeting specific artifacts individually, is presented. The goal is to render the data suitable for subsequent unproblematic segmentation without any loss of information, compared to manual conditioning with traditional filters.
The strategy can therefore be used to acquire faster CT data (e.g. in-situ investigations) and ensure legacy with existing data obtained, perhaps, on older instruments.
We employ in-house generated synthetic Al-Si matrix composite XCT data for training deep convolutional neural networks for XCT data conditioning and automatic segmentation. We propose an in-house multilevel deep conditioning framework capable of rectifying noise and blur in corrupted XCT data sequentially. Furthermore, for automatic segmentation, we utilize a special in-house network coupled with a novel iterative segmentation algorithm capable of generalized learning from synthetic data. We report a consistent SSIM efficiency of 92%, 99%, and 95% for the combined denoising/deblurring, standalone denoising, and standalone deblurring, respectively. The overall segmentation precision was over 85% according to the Dice coefficient. We used experimental XCT data from various scans of Al-Si matrix composites reinforced with ceramic particles and fibers.
To see and not to see - Möglichkeiten und Grenzen der Schadensanalyse mit CT an Kompositmaterialien
(2020)
Anhand von drei Beispielen (Datenfusion an CFK; Machine Learning an Metall-Matrix-Kompositen sowie Refraktion an CFK) wird gezeigt, wie die BAM mit neuen Analysemethoden mehr Informationen aus CT-Datensätzen extrahieren kann, sowie mit der Refraktion eine Analysemethode besitzt, die in Fällen eingesetzt werden kann, bei denen klassische Durchstrahlungsmethoden kein Ergebnis liefern.
The damage mechanisms of metallic components produced by process laser powder bed fusion differ significantly from those typically observed in conventionally manufactured variants of the same alloy. This is due to the unique microstructures of additively manufactured materials. Herein, the focus is on the study of the evolution of creep damage in stainless steel 316L specimens produced by laser powder bed fusion. X-ray computed tomography is used to unravel the influence of the process-specific microstructure from the influence of the initial void distribution on creep damage mechanisms. The void distribution of two specimens tested at 600 °C and 650 °C is analyzed before a creep test, after an interruption, and after fracture. The results indicate that the formation of damage is not connected to the initial void distribution. Instead, damage accumulation at grain boundaries resulting from intergranular cracking is observed.
An unusual microstructure, inherent residual stresses and void formation are the three key aspects to control when assessing metallic parts made by LPBF. This talk explains an experiment to unravel the interlinked influence of the two mechanisms for the formation of residual stresses in LPBF: the temperature gradient mechanism and constricted solidification shrinkage. The impact of each mechanism on the shape and magnitudes of the residual stress distribution is described. Combined results from neutron diffraction, X-ray diffraction, computed tomography and in-situ thermography are presented.
Also, influence of scan strategies as well as surface roughness of subjacent layers on void formation is shown. Results from computed tomography and in-situ thermography of a specimen dedicated to study the interaction of the melt pool with layers of powder underneath the currently illuminated surface are presented.
Rapid cooling rates and steep temperature gradients are characteristic of additively manufactured (AM) parts and important factors for residual stress formation which have implications on structural integrity. This study examined the influence of heat input on the distribution of residual stresses in two prisms produced by laser powder bed fusion (L-PBF) of austenitic stainless steel 316L.
The layers of the prisms were exposed using two distinct helix scanning strategies: one scanned from the centre to the perimeter and the other from the perimeter to the centre. Residual stresses were characterised at one plane perpendicular to the building direction at half of its build height using neutron diffraction. In addition, the defect distribution was analysed via micro X-ray computed tomography (µCT) in a twin specimen.
Both scanning strategies reveal residual stress distributions typical for AM: compressive stresses in the bulk and tensile stresses at the surface. However, temperature gradients and maximum stress levels differ due to the different heat input. Regarding the X-ray µCT results, they show an accumulation of defects at the corners where the laser direction turned through 90°.
The results demonstrate that neutron diffraction and X-ray µCT can be successfully used as non-destructive methods to analyse through-thickness residual stress and defect distribution in AM parts, and in the presented case, illustrate the influence of scanning strategies. This approach contributes to deeper assessment of structural integrity of AM materials and components.
The damage mechanisms of metallic components produced by process laser powder bed fusion differ significantly from those typically observed in conventionally manufactured variants of the same alloy. This is due to the unique microstructures of additively manufactured materials. Herein, the focus is on the study of the evolution of creep damage in stainless steel 316L specimens produced by laser powder bed fusion. X-ray computed tomography is used to unravel the influence of the process-specific microstructure from the influence of the initial void distribution on creep damage mechanisms. The void distribution of two specimens tested at 600 °C and 650 °C is analyzed before a creep test, after an interruption, and after fracture. The results indicate that the formation of damage is not connected to the initial void distribution. Instead, damage accumulation at grain boundaries resulting from intergranular cracking is observed.
Non-destructive testing for surface crack detection and head check depth quantification at the gauge cor-ner of railway tracks can be achieved using eddy current methods. With the extension of the tested zone to the running surface, rail defect signal types other than head checks can be measured. Due to their most-ly irregular shape, a quantitation based on a calibration against regular test cracks of varying depth may not be linear. Estimates of the expected influence of more complex crack patterns may be obtained by a finite element simulation of sufficiently simple limiting cases, like two displaced or intersecting cracks or a simply branched or flexed crack. As a first step, a 3D finite element model of the HC10 eddy current probe distributed by Prüftechnik Linke und Rühe (PLR), Germany was built and verified against meas-ured results from an (easily fabricated) reference block with isolated long cracks.
Das maschinelle Lernen (ML) wurde erfolgreich zur Lösung vieler Aufgaben in der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen (ZfPBau) eingesetzt. Allerdings ist die Erstellung von Referenzdaten in den meisten Fällen extrem teuer und daher viel knapper als in anderen Forschungsbereichen. Auch decken die verfügbaren Daten mitunter nur ein einziges Szenario ab, so dass die Leistungsindikatoren oft nicht die tatsächliche Leistung des ML-Modells in der praktischen Anwendung widerspiegeln. Schätzungen, die die Übertragbarkeit von einem Szenario auf ein anderes quantifizieren, sind erforderlich, um dieser Herausforderung gerecht zu werden und den Weg für Anwendungen in der Praxis zu ebnen.
In diesem Beitrag stellen wir Werkzeuge zur Beschreibung der Unsicherheit von ML in neuen ZfPBau-Szenarien vor. Zu diesem Zweck haben wir einen bestehenden Trainingsdatensatz zur Klassifizierung von Korrosionsschäden der Bewehrung in Beton um eine neue Fallstudie erweitert. Die Messungen wurden an großflächigen Betonproben mit eingebauter chloridinduzierter Korrosion des Bewehrungsstahls durchgeführt. Das Experiment simulierte den gesamten Lebenszyklus von chloridinduzierten Sichtbetonbauteilen im Labor. Unser Datensatz umfasst Potenzialfeld- und Radarmessungen. Die einzigartige Fähigkeit, die Schädigung zu überwachen und eine gezielte Korrosion einzuleiten, ermöglichte es, die Daten zu labeln - was für die Konstruktion von ML-Modellen entscheidend ist. Um die Übertragbarkeit zu untersuchen, erweitern wir unser Modell um Metadaten - wie etwa Konstruktionsmerkmale des Prüfkörpers und Umweltbedingungen. Dies erlaubt es, die Veränderung dieser Merkmale in neuen Szenarien mit statistischen Methoden als Unsicherheiten auszudrücken. Wir vergleichen verschiedene auf Stichproben und statistischer Verteilung basierende Ansätze und zeigen, wie diese Methoden eingesetzt werden können, um Wissenslücken von ML-Modellen in der ZfP zu schließen
ML has been successfully applied to solve many NDT-CE tasks. This is usually demonstrated with performance metrics that evaluate the model as a whole based on a given set of data. However, since in most cases the creation of reference data is extremely expensive, the data used is generally much sparser than in other areas, such as e-commerce. As a result, performance indicators often do not reflect the practical applicability of the ML model. Estimates that quantify transferability from one case to another are necessary to meet this challenge and pave the way for real world applications.
In this contribution we invetigate the uncertainty of ML in new NDT-CE scenarios. For this purpose, we have extended an existing training data set for the classification of corrosion damage by a new case study. Our data set includes half-cell potential mapping and ground-penetrating radar measurements. The measurements were performed on large-area concrete samples with built-in chloride-induced corrosion of reinforcement. The experiment simulated the entire life cycle of chloride induced exposed concrete components in the laboratory. The unique ability to monitor deterioration and initiate targeted corrosion initiation allowed the data to be labelled - which is crucial to ML. To investigate transferability, we extend our data by including new design features of the test specimen and environmental conditions. This allows to express the change of these features in new scenarios as uncertainties using statistical methods. We compare different sampling and statistical distribution-based approaches and show how these methods can be used to close knowledge gaps of ML models in NDT.
High greenhouse gas emissions from the production of building materials are a major contributor to the current climate crisis. However, developing alternative building materials is complex. Traditional laboratory methods are reaching their limits. Artificial intelligence, on the other hand, can give research a new dynamic.
Novel materials are usually developed manually in the laboratory rather than on a computer. This makes the processes time-consuming, difficult and expensive. With the app SLAMD (Sequential Learning App for Materials Discovery), materials researchers can explore the potential of artificial intelligence to speed up materials research and easily apply AI in the lab. The app was developed by our team at the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) led by Prof. Sabine Kruschwitz together with a team in the Department of Building Materials and Construction Chemistry at TU Berlin led by Prof. Dietmar Stephan.
It uses material composition and characterization data to predict ideal material candidates. It can be used to optimize many material properties simultaneously and even incorporates database information such as carbon footprint, material cost or resource availability. Unlike the usual data-intensive AI methods, SLAMD optimally integrates existing knowledge and human feedback, and provides numerous decision support tools to precisely navigate complex scientific knowledge processes towards success.
In this talk, we will present some case studies where we were able to find suitable advanced materials in a few months instead of several years. We will talk about the challenges we overcame and the future potential we see for this approach to developing the green materials of the future.
Angetrieben durch Digitalisierung und die sogenannte Industrie 4.0 steigt die Erwartungshaltung gegenüber der Nutzung von Sensorik. Die Unsicherheit, Widersprüchlichkeit und Redundanz separat verarbeiteter einzelner Quellen soll durch die synergetische Zusammenführung heterogener Datensätze überwunden werden. Dabei steht der zunehmenden Aufgabenkomplexität eine ebenso zunehmende Verfügbarkeit an Sensoren, Daten und Rechenleistung gegenüber.
Der Begriff Datenfusion fasst Ansätze zusammen, die Daten zu abstrakteren, aber besser verständlichen Informationen verarbeiten. Die Fusion ist Kernbestandteil effektiver Assistenzsysteme und beweist in vielzähligen Aufgaben - von militärischen Anwendungen über Flug- und Fahrassistenzsysteme, bis in den Heimbereich – ihr großes Potenzial. Durch die wachsende Automatisierung bei der Messdatenerfassung wird Datenfusion auch in der industriellen Qualitätsprüfung und –sicherung zunehmend attraktiver.
Der Vortrag gibt einen Überblick über den breiten Themenkomplex und widmet sich dabei im Theorieteil speziell der Fragen, welche Informationen in multivariaten Datensätzen stecken und wie sie extrahiert werden können. Anschließend wird ein Beispiel für die erfolgreiche Anwendung zur zerstörungsfreien Prüfung von Betonbauteilen vorgestellt. Der dargestellte Datensatz ist klein, heterogen, hochdimensional und unausgeglichen. Anhand von Algorithmen mit unterschiedlicher Leistungsfähigkeiten hinsichtlich Anpassungsfähigkeit und Invarianz gegenüber Höherdimensionalität wird erläutert welche Prozesse zur Verbesserung der Informationsqualität nötig sind.
Explore and Exploit - Strategische Erweiterung der fraktographischen Datenbank mit Machine Learning
(2020)
In diesem Vortrag stellen wir den aktuellen Stand zu einer Masterarbeit zusammen die sich mit dem Thema beschäftigt wie die Generalisierbarkeit von Datenmodellen auf Basis kleiner Datensätze erhöht werden kann. Wir stellen vor, wie die Datenbasis eines fraktogafischen Bildklassifizierers mit einem statistischen Model strategische erweitert, bzw. an eine Anwendung angepasst werden kann.
We have arrived in the data age. But why is it so difficult for the NDT community to achieve real breakthroughs with data-driven science? In this seminar, we will take a brief look at the evolution of mainstream data science to understand why the most exciting times are perhaps just ahead. We will give an overview of our activities in the junior research group 8.K which are aimed at enabling the next generation of data science methods in NDT. The seminar addresses the two main work fields of our group: semantic data management and the handling of limited data resources.
The first field addresses the problem that a uniform representation of our data is not yet available. However, knowledge creation in data science - whose main contribution lies in the analysis of distributed resources - requires common data access based on a collective understanding. To achieve this, we present an ontology-based approach. Ontologies are already the core of many intelligent systems such as building information models or research databases. We summarize some of the basic principles of this technology and describe our approach to create an NDT ontology.
The second field ties in with the first and addresses the application of data-based methods in engineering practice. Especially in the field of non-destructive testing many successful applications have been published. In most cases, however, the creation of referenced data is extremely expensive and therefore much sparser than in other research areas. As a result, the available data may cover only one scenario, so that common benchmarks often do not reflect the actual performance of the model in practical applications. Estimates that quantify the transferability from one scenario to another are not only necessary to overcome this challenge - they also prove to be a powerful tool for the strategic expansion of what we consider knowledge.
Data-driven research is considered the new paradigm in science. In this field, data is the new resource from which knowledge is extracted that is too complex for traditional methods. Several factors such as national funding and advances in information technology, are driving the development. In particular, the creation of databases and the analysis of data with artifical intelligence are playing an important role in establishing the new paradigm. However, there are numerous challenges that must be overcome to realize the full potential of data-driven methods. This talk sets the stage for the upcoming workshop by reviewing some of the historical developments and the current state of data-driven science in NDT and materials science.
Many PhD students are interested in applying machine learning, AI, data science, etc., and there are many good reasons for this. However, there is a disconnect between mainstream data science and materials science, for example, when it comes to the sheer size of the data. This talk will highlight some of the unique challenges in materials informatics and present some interesting approaches to overcome them. Although the field is large, this talk will focus on cases that have some practical relevance to PhD students at BAM.
In the field of non-destructive testing (NDT) in civil engineering, a large number of measurement data are collected. Although they serve as a basis for scientific analyses, there is still no uniform representation of the data. An analysis of various distributed data sets across different test objects is therefore only possible with high manual effort.
We present a system architecture for an integrated data management of distributed data sets based on Semantic Web technologies. The approach is essentially based on a mathematical model - the so-called ontology - which represents the knowledge of our domain NDT. The ontology developed by us is linked to data sources and thus describes the semantic meaning of the data. Furthermore, the ontology acts as a central concept for database access. Non-domain data sources can be easily integrated by linking them to the NDT construction ontology and are directly available for generic use in the sense of digitization. Based on an extensive literature research, we outline the possibilities that this offers for NDT in civil engineering, such as computer-aided sorting, analysis, recognition and explanation of relationships (explainable AI) for several million measurement data.
The expected benefits of this approach of knowledge representation and data access for the NDT community are an expansion of knowledge through data exchange in research (interoperability), the scientific exploitation of large existing data sources with data-based methods (such as image recognition, measurement uncertainty calculations, factor analysis, material characterization) and finally a simplified exchange of NDT data with engineering models and thus with the construction industry.
Ontologies are already the core of numerous intelligent systems such as building information modeling or research databases. This contribution gives an overview of the range of tools we are currently creating to communicate with them.
Im Bereich der Zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) im Bauwesen werden eine Vielzahl von Messdaten erfasst. Obwohl Sie als Grundlage für wissenschaftliche Analysen dienen, gibt es noch keine einheitliche Repräsentation der Daten. Eine Analyse verschiedener verteilter Datensätze über unterschiedliche Prüfobjekte hinweg ist daher kaum möglich.
Wir stellen einen Ansatz für ein integriertes Datenmanagement verteilter Datensätze auf Basis von Semantic-Web Technologien vor. Der Ansatz basiert im Kern auf einem mathematischen Modell – der sogenannten Ontologie – welches das Wissen unserer Domäne ZfPBau repräsentiert. Die von uns entwickelte ZfPBau Ontologie wird mit Datenquellen verknüpft und beschreibt so die semantische Bedeutung der Daten. Darüber hinaus fungiert die Ontologie als zentrales Konzept für den Datenbankzugriff. Domänen-fremde Datenquellen können durch die Verknüpfung mit der ZfPBau Ontologie einfach integriert werden und stehen zur generischen Nutzung im Sinne der Digitalisierung direkt zur Verfügung. Basierend auf einer umfangreichen Literaturrecherche, skizzieren wir die Möglichkeiten die sich daraus für die ZfP im Bauwesen ergeben, wie zum Beispiel Messdaten computergestützt zu sortieren, zu analysieren, Zusammenhänge zu erkennen und zu erklären.
Der erwartete Nutzen dieses Ansatzes der Wissensrepräsentation und des Datenzugriffs für die ZfP-Community ist eine Erweiterung des Wissens durch Datenaustausch in der Forschung (Interoperabilität), die wissenschaftliche Verwertung großer existierender Datenquellen mit datenbasierten Verfahren (wie Bilderkennung, Messunsicherheitsberechnungen, Faktoranaylsen, Materialcharackterisierung) und letztlich ein vereinfachter Transfer von ZFP-Daten in Ingenieurmodelle und somit in die Baupraxis.
Ontologien sind bereits Kern vielzähliger intelligenter Systeme wie Building-Information-Modeling oder Forschungsdatenbanken. Der Beitrag gibt einen Überblick über die Werkzeuge die wir derzeit für die Kommunikation mit ihnen schaffen.
Wir laden zum Trainingsworkshop Datenanalyse ein. Angetrieben durch die Digitalisierung und die sogenannte Industrie 4.0 steigt die Erwartungshaltung gegenüber der Nutzung von Daten. Die Unsicherheit, Widersprüchlichkeit und Redundanz separat verarbeiteter einzelner Quellen soll durch die synergetische Zusammenführung heterogener Datensätze überwunden werden. Dabei steht der zunehmenden Aufgabenkomplexität eine ebenso zunehmende Verfügbarkeit an Daten und Analyseverfahren gegenüber.
Der Workshop vermittelt ein konzeptionelles Verständnis für moderne Datenanalyseverfahren (Machine Learning (ML), Multivariate Statistik) und soll durch ein anschließendes Hands-On Training mit Python (https://www.python.org) einen einfachen Einstieg in die Thematik ermöglichen. Der Kurs richtet sich an den wissenschaftlichen Nachwuchs.
Angetrieben durch Digitalisierung und die sogenannte Industrie 4.0 steigt die Erwartungshaltung gegenüber der Nutzung von Sensorik. Die Unsicherheit, Widersprüchlichkeit und Redundanz separat verarbeiteter einzelner Quellen soll durch die synergetische Zusammenführung heterogener Datensätze überwunden werden. Dabei steht der zunehmenden Aufgabenkomplexität eine ebenso zunehmende Verfügbarkeit an Sensoren, Daten und Rechenleistung gegenüber.
Der Begriff Datenfusion fasst Ansätze zusammen, die Daten zu abstrakteren, aber besser verständlichen Informationen verarbeiten. Die Fusion ist Kernbestandteil effektiver Assistenzsysteme und beweist in vielzähligen Aufgaben - von militärischen Anwendungen über Flug- und Fahrassistenzsysteme, bis in den Heimbereich – ihr großes Potenzial. Durch die wachsende Automatisierung bei der Messdatenerfassung wird Datenfusion auch in der industriellen Qualitätsprüfung und –sicherung zunehmend attraktiver.
Der Vortrag gibt einen Überblick über den breiten Themenkomplex und widmet sich dabei speziell der Fragen, welche Informationen in multivariaten Datensätzen stecken und wie sie extrahiert werden können. Abschließend wird ein Beispiel für die erfolgreiche Anwendung zur zerstörungsfreien Prüfung von Betonbauteilen vorgestellt. Der systematische Vergleich von Algorithmen, die Charakteristika des Labordatensatzes in unterschiedlicher Weise adressieren erlaubt überraschende Schlussfolgerungen.
Half-Cell-Potential Mapping (HP) is the most popular non-destructive testing (NDT) method for the detection of active corrosion in reinforced concrete. HP is influenced by parameters such as moisture and chloride gradients in the component. The sensitivity to the spatially small, but dangerous pitting is low. In this study we show how additional measurement information can be used with multi-sensor data fusion to improve the detection performance and to automate data evaluation. The fusion is based on supervised machine learning (SML). SML are methods that recognize relationships in (sensor) data based on given labels. We use SML to distinguish "defective" and "intact" labeled areas in our dataset. It consists of 18 measurement - each contains HP, ground radar, microwave moisture and Wenner resistivity data. Exact labels for changing environmental conditions were determined in a laboratory study on a reinforced concrete slab, which deteriorated controlled and accelerated. The deterioration progress was monitored continuously and corrosion was generated targeted at a predefined location. The detection results are quantified and statistically evaluated. The data fusion shows a significant improvement over the best single method (HP). We describe the challenges of data-driven approaches in nondestructive testing and show possible solutions.
With 8% of man-made CO2 emissions, cement production is an important driver of the climate crisis. By using alkali-activated binders, part of the energy-intensive clinker production process can be dispensed. However, as numerous raw materials are involved in the manufacturing process here, the complexity of the materials increases by orders of magnitude. Finding a properly balanced binder formulation is like looking for a needle in a haystack. We have shown for the first time that artificial intelligence (AI)-based optimization of alkali-activated binder formulations can significantly accelerate research.
The "Sequential Learning App for Materials Discovery" (SLAMD) aims to accelerate practice transfer. With SLAMD, materials scientists have low-threshold access to AI through interactive and intuitive user interfaces. The value added by AI can be determined directly. For example, the CO2 emissions saved per ton of cement can be determined for each development cycle: the more efficient the AI optimization, the greater the savings.
Our material database already includes more than 120,000 data points of alternative binders and is constantly being expanded with new parameters. We are currently driving the enrichment of the data with a life cycle analysis of the building materials.
Based on a case study we show how intuitive access to AI can drive the adoption of techniques that make a real contribution to the development of resource-efficient and sustainable building materials of the future and make it easy to identify when classical experiments are more efficient.
One of the most common causes of damage is the ingress of harmful ions into the concrete, which can lead to deterioration processes and affect structural performance. Therefore, the increasingly aging infrastructure is regularly inspected to assess durability. Regular chemical analysis can be useful to determine the extent and evolution of ion ingress and to intervene in a timely manner. This could prove more economical than extensive repairs for major damage, particularly for critical infrastructure. In addition to already established elemental analysis techniques in civil engineering such as potentiometric titration or X-ray fluorescence analysis, laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) can provide further important complementary information and benefits. The possibilities of LIBS are demonstrated using the example of a drill core taken from a parking garage.
Geschlossene Materialkreisläufe und sortenreine Materialfraktionen sind erforderlich, um hohe Verwertungs und Recyclingquoten in der Bauindustrie zu erreichen Beim Recycling von Bau und Abbruchabfällen wurden bisher bevorzugt einfache, aber bewährte Techniken eingesetzt, um große Mengen Bauschutt in kurzer Zeit zu verarbeiten Dies steht im Gegensatz zu den immer komplexer werdenden Verbundwerkstoffen in der Mineralbaustoffindustrie Die aktuell oft praktizierte händische Klaubung bürgt viele Risiken und Gefahren für das ausführende Personal und basiert lediglich auf offensichtlichen, visuell erkennbaren Unterschieden zur Trennung Eine automatisierte, sensorgestützte Sortierung dieser Baustoffe könnte diese Praxis ergänzen oder ersetzen, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit, die Recyclingraten, die Sortierqualität und die vorherrschenden Gesundheitsbedingungen zu verbessern.
Concrete structures often show severe damage during their lifetime. One such damage is pitting corrosion of the steel reinforcement caused by chloride ingress into the porous concrete structure. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a promising method in civil engineering, which is used for detection of chlorine in concrete structures in addition to conventional methods of wet chemistry. To assess LIBS as a trustful analytical technique, its accuracy and robustness is carefully tested. The presentation will outline the results of the interlaboratory comparison of chlorine quantification in cement paste samples, which was carried out by 12 laboratories in 10 countries. Two sets of samples with chloride content ranging from 0.06-1.95 wt.% in the training set and 0.23-1.51 wt.% in the test sample set (“unknowns”), with additional variations in the type of cement and chlorine source (salt type) were sent to the laboratories. The overall result demonstrates that LIBS is suitable for the quantification of the investigated sample compositions: average relative bias was mostly below 15 %. Considering that the laboratories did not receive instructions on how to perform the analysis or how to process the data, the results can be evaluated as a true status quo of the LIBS technique for this type of analysis.
The detection of delamination, rot, and cracks in wooden construction elements is a key task for nondestructive testing (NDT). Air-coupled ultrasound (ACU) is used to detect defects and damage without altering the structure permanently. Using through transmission it is possible to detect even small holes and missing adhesive. After interpretation of the inspection data, an assessment of the mechanical properties based on an appraisal of internal defects in the material is feasible. Novel ferroelectret transducers with a high signal-to-noise ratio (SNR) enable a high-precision structure recognition. The transducers made of cellular polypropylene (PP) are quite suitable for ACU testing due to their extremely low Young’s modulus and low density which result in a favorable acoustic impedance for the transmission of ultrasonic waves between the transducer and air. Thus, structures with great dimensions, thickness up to 300 mm and material densities under 500 kg/m³ can be inspected. Promising results were obtained under laboratory conditions with frequencies from 90 kHz to 200 kHz. The advantage of ACU transducers is that they do not require contact to the sample, are accurate, and cost effective. Ultrasonic quality assurance for wood is an important attempt to increase the acceptance of wooden structures and towards sustainability in civil engineering in general.
The necessity and demand for nondestructive testing of wood-based materials which can
automatically scan huge areas of wood is increasing. Air-coupled ultrasound (ACU) is used to detect defects and damage without altering the structure permanently. Using through transmission it is possible to detect even small holes and missing adhesive. If only one side of an object is accessible the reflection mode is preferred at the expense of a reduced resolution and penetration depth. Novel ferroelectret transducers with a high signal-to-noise ratio (SNR) enable a high-precision structure recognition. The transducers made of cellular polypropylene (PP) are quite suitable for ACU testing due to their extremely low Young’s modulus and low density which result in a favorable acoustic impedance for the transmission of ultrasonic waves between the transducer and air. Thus, defects such as delamination, rot, and cracks can be detected. Promising results were obtained under laboratory conditions with frequencies from 90 kHz to 200 kHz. The advantage of these ACU transducers is that they do not require contact to the sample, are accurate, and cost effective. Ultrasonic quality assurance for wood is an important attempt to increase the acceptance of wooden structures and towards sustainability in civil engineering in general.
The detection of delamination, rot and cracks causing a decrease of strength in wooden construction elements is a key task for nondestructive testing (NDT). Air-coupled ultrasound (ACU) is used to detect flaws without having to provide contact to the surface or otherwise affect the object. Novel ferroelectric transducers with a high signal-to-noise ratio enable an accurate flaw detection. Transducers made of cellular polypropylene (PP) are suitable for characterizing wood-based materials (WBM) because their extremely low Young’s modulus and low density mean a favorable acoustic impedance for the transmission of ultrasonic waves between the transducer and air. The transducers can be applied during the production of WBM and during its service life. The device enables a fast in-situ recognition of defects with frequencies between 90 kHz and 250 kHz. Measurements can be performed in through transmission for a high resolution or in pulse-echo technique in case of one-sided access at the expense of reduced signal strength. Ultrasonic quality assurance for wood is an important attempt to increase the acceptance of wooden structures and towards sustainability in civil engineering in general.
In diesem Vortrag wird am Beispiel magnetischer Werkstoffe zur Energiewandlung gezeigt, wie röntgentomographische Untersuchungen zur Strukturaufklärung in Kompositen und Massivproben beitragen können. Die Bauteile werden zerstörungsfrei geprüft, um Risse, Poren und andere Defekte und ihren Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften dreidimensional und rechtzeitig im Lebenszyklus des Werkstoffs zu charakterisieren. Kombiniert man Mikrotomographie mit anderen Methoden der magnetischen Werkstoffcharakterisierung, lassen sich einzigartige Aussagen über den Aufbau und die funktionellen Eigenschaften treffen.
Using magnetic materials for energy conversion as an example, this lecture shows how X-ray tomography investigations can contribute to structure elucidation in composites and solid samples. The components are tested non-destructively in order to characterize cracks, pores and other defects and their influence on the functional properties three-dimensionally and in good time in the life cycle of the material. If you combine microtomography with other methods of magnetic material characterization, you can make unique statements about the structure and the functional properties.
Using magnetic materials for energy conversion as an example, this lecture shows how X-ray tomography investigations can contribute to structure elucidation in composites and solid samples. The components are tested non-destructively in order to characterize cracks, pores and other defects and their influence on the functional properties three-dimensionally and in good time in the life cycle of the material. If you combine microtomography with other methods of magnetic material characterization, you can make unique statements about the structure and the functional properties.
To date, there are only very few technologies available for the conversion of low temperature waste heat to electricity. In this talk, we first describe the principle of thermomagnetic generators. Then we focus on the impact of topology of the magnetic circuit within thermomagnetic generators. We demonstrate that the key operational parameters strongly depend on the genus, i.e. the number of holes within the magnetic circuit.
To date, there are only very few technologies available for the conversion of low temperature waste heat to electricity. In this talk, we first describe the principle of thermomagnetic generators. Then we focus on the impact of topology of the magnetic circuit within thermomagnetic generators. We demonstrate that the key operational parameters strongly depend on the genus, i.e. the number of holes within the magnetic circuit.
To date, there are very few technologies available for the conversion of low-temperature waste heat into electricity. Thermomagnetic generators are one approach proposed more than a century ago. Such devices are based on a cyclic change of magnetization with temperature. For thermomagnetic materials, we used a commercial magnetocaloric alloy with a transition temperature of 300 K.
To date, there are only very few technologies available for the conversion of low temperature waste heat to electricity. In this talk, we first describe the principle of thermomagnetic generators. Then we focus on the impact of topology of the magnetic circuit within thermomagnetic generators. We demonstrate that the key operational parameters strongly depend on the genus, i.e. the number of holes within the magnetic circuit.
To date, there are very few technologies available for the conversion of low-temperature waste heat into electricity. Thermomagnetic generators are one approach proposed more than a century ago. Such devices are based on a cyclic change of magnetization with temperature. For thermomagnetic materials, we used a commercial magnetocaloric alloy with a transition temperature of 300 K.
To date, there are only very few technologies available for the conversion of low temperature waste heat to electricity. In this talk, we first describe the principle of thermomagnetic generators. Then we focus on the impact of topology of the magnetic circuit within thermomagnetic generators. We demonstrate that the key operational parameters strongly depend on the genus, i.e. the number of holes within the magnetic circuit.
In diesem Vortrag wird am Beispiel magnetischer Werkstoffe zur Energiewandlung gezeigt, wie röntgentomographische Untersuchungen zur Strukturaufklärung in Kompositen und Massivproben beitragen können. Die Bauteile werden zerstörungsfrei geprüft, um Risse, Poren und andere Defekte und ihren Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften dreidimensional und rechtzeitig im Lebenszyklus des Werkstoffs zu charakterisieren. Kombiniert man Mikrotomographie mit anderen Methoden der magnetischen Werkstoffcharakterisierung, lassen sich einzigartige Aussagen über den Aufbau und die funktionellen Eigenschaften treffen.
In diesem Vortrag wird am Beispiel magnetischer Werkstoffe zur Energiewandlung gezeigt, wie röntgentomographische Untersuchungen zur Strukturaufklärung in Kompositen und Massivproben beitragen können. Die Bauteile werden zerstörungsfrei geprüft, um Risse, Poren und andere Defekte und ihren Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften dreidimensional und rechtzeitig im Lebenszyklus des Werkstoffs zu charakterisieren. Kombiniert man Mikrotomographie mit anderen Methoden der magnetischen Werkstoffcharakterisierung, lassen sich einzigartige Aussagen über den Aufbau und die funktionellen Eigenschaften treffen.
Functional materials for energy conversion are important technology drivers needed for the implementation of low carbon energy. Therefore, researchers commonly focus on improving the intrinsic properties of a functional material. However, for applications, the extrinsic properties are at least as important as the intrinsic ones. Consequently, it is important to investigate and understand the external and internal structure of semi-finished products and especially defect dependent properties. The extrinsic properties may change during application and the life cycle of the material as well as through processing and molding steps.
Our studies show how X-ray tomographic (XCT) investigations can contribute to structure investigations in composites and massive samples using the example of magnetic materials for energy conversion. The components are tested non-destructively in 3D in order to localize and characterize cracks, pores, inclusions as well as other defects and their influence on the functional properties and also “in-time” during the life cycle of the material. Exsitu and in-situ experiments performed with non-destructive XCT are predestinated to follow damaging mechanisms of materials under certain load conditions, atmospheres or liquids, e.g. went through several working cycles of a functional material. By combining microtomography with other methods of magnetic and classical material characterization, unique statements about the structure and the functional properties can be made.
From the applications point of view, sometimes complex, three-dimensional geometries are needed to fully exploit the functional properties of the materials, e.g. to ensure a high surface area for heat exchange. Since many functional materials are brittle and difficult to form, shaping is often a big challenge. In principle, additive manufacturing processes offer the possibility to produce complex, porous components from poorly formable alloys.
If all stages of additive manufacturing are accompanied by X-ray tomographic imaging, the process of finding the optimal parameters for material processing can be significantly accelerated.
Based on the quality control of the initial powder material used and also investigations of the shape and arrangement of defects within the molten structure and their relationship with the melting path scanning strategy, Xray tomography has proven to be an ideal tool for additive manufacturing, even for functional materials. Overall, tomographic methods are important tools for the development of functional materials to application maturity.
To date, there are only very few technologies available for the conversion of low temperature waste heat to electricity. More than a century ago, thermomagnetic generators were proposed, which are based on a change of magnetization with temperature, switching a magnetic flux, which according to Faraday’s law induces a voltage. In this talk, we first describe the principle of thermomagnetic generators. Then we focus on the impact of topology of the magnetic circuit within thermomagnetic generators. We demonstrate that the key operational parameters strongly depend on the genus, i.e. the number of holes within the magnetic circuit. A pretzel-like topology of the magnetic circuit with genus =3 improves the performance of thermomagnetic generators by orders of magnitude. We will show that this technique is on its way to becoming competitive with thermoelectrics for energy harvesting near room temperature.
Thermomagnetic materials are a new type of magnetic energy materials, which enable the conversion of low temperature waste heat to electricity by three routes: Thermomagnetic motors, generators and microsystems. Taking our recent work on thermomagnetic generators as a starting point, in this talk we analyse the material requirements for a more energy and economic efficient conversion. We will describe the influence of magnetisation change and heat capacity on thermodynamic efficiency, as well as the consequences of thermal conductivity on power density. Our analysis will allow selecting the best thermomagnetic materials in Ashby plots and illustrate the substantial different properties compared to magnetocaloric materials. Supported by DFG, project FA 453/14)
Functional materials for energy conversion are important technology drivers needed for the implementation of low carbon energy. Therefore, researchers commonly focus on improving the intrinsic properties of a functional material. However, for applications, the extrinsic properties are at least as important as the intrinsic ones. Consequently, it is important to investigate and understand the external and internal structure of semi-finished products and especially defect dependent properties. The extrinsic properties may change during application and the life cycle of the material as well as through processing and molding steps. Our studies show how X-ray tomographic (XCT) investigations can contribute to structure investigations in composites and massive samples using the example of magnetic materials for energy conversion.
Preisträgervortrag Georg-Sachs-Preis der DGM
Röntgencomputertomographie (CT) ist heute ein Standardwerkzeug in der Materialcharakterisierung. Im Vortrag zeigen wir ihre Anwendung für die Untersuchung magnetischer Funktionsmaterialien, additiv gefertigter Bauteile und deren Feedstockpulver und stellen erste CT-Ergebnisse biogener Feedstockpulver vor.
Zur Messung von Konzentrationen in Flüssigkeiten können akustische Sensoren genutzt werden. Ziel der vorliegend Arbeit ist es einen Sensor zu entwerfen der sehr hohe Messgenauigkeiten erzielen kann. Der Sensor besteht aus einem rechteckigen Rohr, welches auf einem Halbraum angebracht ist. Die Konzentrationsbestimmung erfolgt anhand des Resonanzverhaltens der Struktur, wodurch eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann. Um den Sensors zu verwirklichen, muss eine Optimierung der Geometrie mit vielen Iterationsschritten durchlaufen werden. Da keine analytische Beschreibung des akustischen Verhaltens vorliegt, wird eine effiziente Simulationsmethode benötigt. Die Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) für prismatische Strukturen erscheint für die Simulation geeignet, da Teile der Geometrie ohne neue Vernetzung geändert werden können. Für die Berechnung des Sensors wird ein Modell der akustischen Fluid-Struktur Interaktion benötigt, das bisher nicht vorhanden ist.
Die Präsentation behandelt die Implementierung des Fluidmodells in die SBFEM und deren Validierung. Für die Validierung werden die Ergebnisse mit analytischen Beispielen ohne Fluid-Struktur Kopplung und mit Comsol-Ergebnissen der Dispersionskurven mit Wasser gefüllter Rohre verglichen.
Schließlich wird das neuartige Verfahren für die Modellierung der Sensorgeometrie angewendet. An einer einfachen Geometrie wird das Sensorprinzip zur Bestimmung der Salzkonzentration demonstriert.
The Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) for prismatic structures is an efficient method for the simulation of acoustic behavior. Hence a further development of the method is of great interest. The wave propagation can be calculated for isotropic and anisotropic materials in solids. As for many applications the acoustic behavior in fluids and the behavior in case of fluid-structure interaction (FSI) is subject of research, the implementation of a fluid model in SBFEM for prismatic structures is needed. In case of FSI the coupling between fluid and solid domains can be performed without additional effort when describing both domains in the same variables. Hence a displacement-based fluid description is used. As the discretized formulation leads to spurious modes, a penalty method to suppress the unphysical behavior is chosen. To validate the derived model a comparison with analytical solutions of purely fluid domains is made. As to verify that in case of FSI the model shows the right behavior, dispersion curves of water-filled pipes are calculated and compared to results obtained with Comsol.
An essential task in many industries, e.g. food, petrol or chemical industry, is the precise and accurate characterization of liquids. Therefore, the development of innovative in-line sensors is of great interest. New concepts based on periodic structures, so-called phononic crystals (PnCs), are an interesting idea for the design of innovative sensors.
A PnC-based sensor can be designed by introducing a resonance inside a bandgap, a frequency region where no wave propagation is allowed. High-Q measurement systems using PnCs are already reported in the literature. However, existing designs cannot be implemented into a piping system directly, but need special fittings, openings or by-passes to be in contact with the liquid.
To circumvent this issue, we develop a new sensor based on PnCs, which can be directly implemented as part of the piping system. For this purpose, we use a PnC consisting of hollow cylinders with a periodic change of the outer diameter.
A bandgap could be found for the described geometry without fluid in simulation and measurement. However, simulations show, that a bandgap for fluid-filled cylinders can only be obtained for quasi-longitudinal modes. Hence, we propose a mode selective excitation for the sensor.
Acoustic-structure interaction in the scaled boundary finite element method for primsatic geometries
(2019)
Due to the short wavelength compared to the dimensions of the structure, the simulation of ultrasonic waves is still a challenging task. A numerical method well suited for this purpose is the semi-analytical Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM). When applying this method, only the boundary of a computational domain is discretized using finite elements, while the interior is described by an analytical ansatz. Hence, the number of degrees of freedom is reduced significantly compared to the classical Finite Element Method (FEM).
In recent years, a particular formulation of the SBFEM for the simulation of ultrasonic guided waves was developed. The method constitutes an efficient algorithm for prismatic structures of arbitrary length, such as plates, pipes, or beams. Wave propagation phenomena in such structures can be modeled for isotropic and anisotropic inhomogeneous waveguides. Even though the method is an efficient tool for the simulation of guided waves in solid media, a reliable model for the simulation of acoustic wave propagation in fluids as well as acoustic-structure interaction in terms of SBFEM is still missing. In principle, the fluid can be described by a displacement-based formulation and thus be implemented in existing SBFEM algorithms for solid bodies. However, due to the discretization with classical finite elements, spurious modes occur, which cannot be separated from the physical modes straightforwardly. The spurious modes can be suppressed using a penalty parameter. Although very accurate results were achieved for some problems, this procedure has been proven unreliable for certain cases.
For this reason, we propose a different approach in this contribution. We employ a pressure model to simulate the acoustic behavior of fluids. The implementation of the pressure model results in a higher effort due to the necessity of incorporating coupling terms, but it presents a stable alternative without spurious modes. The accuracy of the method is demonstrated in comparison with analytical solutions and results obtained using the FEM.
Die Messung von Flüssigkeitskonzentrationen in Rohrsystemen ist von großem Interesse für viele unterschiedliche Anwendungen. Die meisten Messsysteme sind jedoch nicht in der Lage, die Flüssigkeit direkt im Rohr zu untersuchen und es muss eine zusätzliche Vorrichtung, wie z.B. einem Bypass, angebracht werden, welche den Kontakt zwischen Flüssigkeit und Sensor ermöglicht.
Um den Einbauaufwand gering zu halten und die Strömungseigenschaften des Rohres nicht zu beeinflussen, wird ein neuartiges Messsystem entwickelt, welches als Teil der Rohrwand ausgeführt werden kann. Dieses neuartige System ist angelehnt an die Idee der phononischen Kristallen (PnK). PnK’s bestehen im Allgemeinen aus einem Matrixmaterial, in welchem Streuzentren periodisch angeordnet sind. Dies führt beim Eintreffen einer akustischen Welle in definierten Frequenz-bereichen, sogenannter Bandlücken, zu zunehmender destruktiven Interferenz. Wird innerhalb einer solchen Bandlücke durch Einbringen einer flüssigkeitsgefüllten Kavität ein Resonanzverhalten erzeugt, kann dies genutzt werden, um die Flüssigkeit zu analysieren.
Im Rahmen von Voruntersuchung wird zunächst das akustische Verhalten des PnK’s, welcher für die Sensorentwicklung genutzt werden soll, unter Vernachlässigung der Flüssigkeit ausführlich untersucht. Hierbei werden zunächst die Bandlücken ermittelt und das Übertragungsverhalten betrachtet. Dieses wird im Anschluss experimentell überprüft. Hierzu werden neben herkömmlichen Fertigungsverfahren auch additive Verfahren zur Herstellung der Proben genutzt.
Die Untersuchung von Ultraschallausbreitung in periodischen Strukturen ist aktuell von großem Interesse für eine zielgerichtete Beeinflussung der Schallausbreitung. Die bekanntesten Vertreter periodischer Strukturen sind die sogenannten phononischen Kristalle. Als phononischen Kristall bezeichnet man eine periodische Struktur bestehend aus einer Matrix, in die Störungen aus einem zweiten Material eingebracht worden ist. Dabei unterscheiden sich Matrixmaterial und das eingebrachte Material sehr stark in ihren akustischen Eigenschaften. Ein phononischer Kristall erzeugt Bandlücken, in denen die Schalltransmission durch den Kristall vollständig unterbunden ist. Außerhalb der Bandlücken hingegen findet eine ungehinderte Schallausbreitung statt. Diese speziellen Eigenschaften können beispielsweise dazu genutzt werden, frequenzselektive Wellenleiter zu konzipieren oder Schallfelder zu fokussieren. Die Kristallstrukturen können anhand der Anzahl der Dimensionen, in welchen eine Schallausbreitung unterbunden wird, unterteilt werden. So verhindert ein eindimensionaler Kristall nur die Schallausbreitung in eine Raumrichtung, wohingegen ein zwei- oder dreidimensionaler Kristall die Schallausbreitung in mehreren Raumrichtungen unterbindet. Für technische Anwendungen sind aufgrund ihrer einfachen Fertigung insbesondere ein- und zweidimensionale Strukturen von Interesse.
In den vorgestellten Arbeiten werden ein- und zweidimensionale Kristalle theoretisch und experimentell untersucht. Für den eindimensionalen Fall wurde eine entartete Form des phonischen Kristalls gewählt, wobei ein Vollzylinder mit periodischer Querschnittsänderung betrachtet wurde. Ziel ist es dabei, die Schallausbreitung in axialer Richtung zu verhindern. Inspiriert wurde diese Anordnung durch die in [1] vorgestellte Tubular-Bell-Geometrie und dient als Vorarbeit für die Entwicklung eines Sensorsystems. Im Falle des zweidimensionalen Kristalls wird die Schallausbreitung in einer Platte mit regelmäßigen Bohrungen untersucht. Hier soll keine Schallausbreitung in der Ebene stattfinden.
Als Voruntersuchungen werden zunächst Berechnungen mit Hilfe der Finiten Elementen Methode (FEM) und der Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) durchgeführt. Für die Berechnung der Dispersionskurven der Strukturen wurde COMSOL Multiphysics genutzt. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse liefern eine Vorhersage der Übertragungseigenschaften der Strukturen. Zur Simulation der Schallausbreitung in der eindimensionalen Struktur wird ein effizienter, achsensymmetrischer Ansatz der SBFEM verwendet. Hierbei entsteht ein numerisches Modell mit einer sehr geringen Anzahl an Freiheitsgraden. Diese effiziente Beschreibung ermöglicht eine zielgerichtete Optimierung der Geometrie der Struktur in Hinblick auf die geforderten akustischen Eigenschaften.
Anhand der Simulationsergebnisse werden Testkörper für beide Strukturen gefertigt und deren Übertragungsverhalten im Vergleich mit den numerischen Ergebnissen experimentell überprüft.
[1] – Lucklum R., Zubtsov M., Pennec Y. – Tubular Bell – Ein neuartiger Ultraschall-Rohrsensor, 3. Workshop des Fachausschusses der DEGA e.V., Messtechnische Anwendung von Ultraschall 20.06-22.06.2016, Kloster Drübeck
Analyse des Tausalzeintrages in Fahrbahndeckenbetone im Kontext der Alkali-Kieselsäure-Reaktion
(2018)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz (BAB-Netz) vermehrt AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten, die zum Teil zu einer Halbierung ihrer geplanten Nutzungsdauer von 30 Jahren führte. Ursächlich hierfür ist die Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnung, die bei gleichzeitiger Anwesenheit von Wasser infolge der Exposition der Fahrbahndecke und dem alkalischen Milieu durch den Einsatz alkalireicher Portlandzemente bei der Betonherstellung zu einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) führt. Zusätzlich wird der AKR-Schädigungsprozess in Betonfahrbahndecken durch den externen Tausalzeintrag (primär NaCl) im Winter begünstigt. Vor diesem Hintergrund kommt der Ermittlung des Tausalzeintrags in den Fahrbahndeckenbeton eine große Bedeutung zu. Die Analyse des Tausalzeintrags erfolgte bisher ausschließlich nasschemisch an gemahlenen Bohrkernsegmenten. Nachteilig ist hierbei die fehlende differenzierte Betrachtung des Natriumgehaltes im Zementstein und in der Gesteinskörnung. Der alternative Einsatz von LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) eröffnet in diesem Kontext neue Möglichkeiten. So wird in diesem Beitrag an Hand von Bohrkernen aus einem AKR-geschädigten BAB-Abschnitt exemplarisch die Vorgehensweise bei der LIBS-Analyse zur Ermittlung der Na- und interagierenden Cl-Verteilung an vertikalen Schnittflächen des Bohrkerns aufgezeigt. Da der Tausalzeintrag primär über den Zementstein erfolgt, wurde der verfälschende Na-Grundgehalt der Gesteinskörnung mittels Zementsteinkriteriums (Nutzung unterschiedlichen Ca-Gehalts in Zementstein und Gesteinskörnung) eliminiert. Vergleichend durchgeführte Cl-Mappings mit Mikroröntgenfluoreszenzanalyse (MRFA) belegen die Güte der durchgeführten LIBS-Messungen.
Aber auch bei der Verifizierung der Übertragbarkeit der Ergebnisse der zum Ausschluss reaktiver Gesteinskörnung bei Neubau und Erneuerung im BAB-Netz eingesetzten Performanceprüfungen mit externem Alkalieintrag auf Praxisverhältnisse hat sich das LIBSVerfahren bewährt. So wurde festgestellt, dass die mit NaCl-Lösung beaufschlagten Laborprüfkörper aus einem repräsentativen Fahrbahndeckenbeton bei der Klimawechsellagerung (KWL) über ihre gesamte Höhe von 10 cm einen Eintrag von Na und Cl erfahren. Weiterhin konnte im Gegensatz zu bisherigen Annahmen erstmals mit LIBS und Nasschemie gezeigt werden, dass die Frost-Tauwechsel-Phase bei der KWL zu keinem erhöhten Tausalzeintrag führt.
The present study deals with the experimental characterization of short crack propagation in SLM (selective-laser-melting) manufactured stainless steel. More specifically, the determination of cyclic R-curves is discussed. This describes the dependency of the crack propagation threshold on crack growth during the short crack propagation stage. For metals, the threshold, starting at a material-intrinsic value, increases until it reaches a value independent of the crack length due to crack closure phenomena which build up at that stage. The cyclic R-curve, when used in the frame of a cyclic R curve analysis, characterizes the resistance of a material to fatigue crack growth and the ability to arrest a physically short crack. Thus, it is the link between classical fatigue and fracture mechanics. In the high-cycle-fatigue range, the short crack propagation stage dominates the overall lifetime, i.e., the number of cycles until failure. Below the fatigue limit crack arrest of hitherto propagable micro-cracks will occur. The effort for the experimental characterization of the short fatigue crack propagation behavior and the cyclic R-curve is very high compared to experiments on long crack propagation. A very exact measurement of crack extension is required, since small increments need to be depicted. Pre-cracking must leave a closure free initial crack, since closure must be build up only by the cyclic R-curve. The closure-free status is achieved by compression pre-cracking. The aim of the present study is an insight into the influence of an AM process on the short crack propagation threshold. Cyclic R-curves are experimentally determined at different load-ratios for 316L austenitic steel specimens produced by SLM and conventional manufacturing. Residual stresses are measured in the crack plane and their influence on the cyclic R-curve is discussed.
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.
Diese Untersuchung beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Kurzrisswachstum in mittels Laser-Pulverbett-Verschmelzen (LPBF - Laser Powder Bed Fusion) hergestelltem rostfreien austenitischen Stahl. Spezifischer wird die Ermittlung zyklischer R-Kurven untersucht. Diese beschreiben den Aufbau des Widerstands gegen Ermüdungsrisswachstum - d.h. des Schwellenwertes - aufgrund von Rissschließeffekten bei physikalisch kurzen Rissen. Mit Hilfe der zyklischen R-Kurven kann die Fähigkeit eines Bauteils, physikalisch kurze Risse zu arretieren, charakterisiert werden. Wir verfügen damit über eine Schnittstelle zwischen klassischer Ermüdung und Bruchmechanik. Das ist gerade auch für additiv gefertigte (AM – Additive Manufacturing) Materialien von Interesse. Diese weisen prozessintrinsische Defekte auf, die als Initiierungsstellen kurzer Ermüdungsrisse agieren. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden zyklische R-Kurven für konventionellen und LPBF AISI-316L-Stahl ermittelt. Insbesondere wurde der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungen (WB1: 450°C, WB2: 800°C und WB3: 900°C) auf das Wachstumsverhalten physikalisch kurzer Risse im LPBF-Material untersucht. Aufgrund hoher Eigenspannungen war die Ermittlung des Kurzrisswachstumsverhaltens bei WB1 nicht möglich. Für WB2 und WB3 ergaben sich sehr unterschiedliche zyklische R-Kurven. Untersuchungen der Eigenspannungen, der Bruchfläche (insbesondere der Rauheit) und der Mikrostruktur sollen die Ursachen für das unterschiedliche Verhalten erklären. Die Ergebnisse werden mit den Verhältnissen in konventionellem Material verglichen.
The objective of this work is to find a method that describes the degree of damage from an impact experiment. This experiment was performed on Composite Pressure Vessels (CPV) in order to find the correlation of impact damage to the residual burst pressure. Computed Tomography (CT) approach was used to capture the before and after impact condition of the CPVs. The Wasserstein function was used to calculate how much the after impact image has differed from the original one. In the end, a good correlation was obtained to the residual burst pressure. The smaller the Wasserstein distance is, the higher the residual burst pressure would be and vice versa.
The main application of LIBS in civil engineering is the detection of harmful ions in concrete, which can penetrate the component through the porous concrete structure. The advantages of LIBS over standard methods are the possibility of multi-element analysis, measurement speed, spatially resolved measurements, and minimal sample preparation. The spatially resolved measurements of LIBS allow the assessment of the heterogeneity of the concrete by measuring separately the chemical composition of the aggregates and the binder matrix. The latter is particularly relevant because the determined elemental distribution can be directly related to the binder matrix. This is not possible with standard methods, since the material is homogenized to powder during sample preparation stage and the determined concentration is thus related to the total mass. In addition to the use of LIBS for the specific analysis of individual harmful ions, LIBS can also be used to estimate the concrete composition and thus determine, for example, the type of cement used. Corresponding information are relevant for the estimation of the remaining service life and for the preparation of a maintenance concept. In recent years, LIBS has been increasingly used in civil engineering. Currently, however, it is primarily used in research institutions and only occasionally in building materials laboratories. Special commercial devices have also been developed, which greatly simplify the application due to the high degree of automation. Mobile LIBS systems allow on-site application. A central point, which limits the use of LIBS in the commercial sector, is the lack of norms and standards. Therefore, within the framework of a project funded by the German government, work has been carried out on the preparation of a leaflet on quantitative chlorine determination in concrete, which will be published this year. In interlaboratory comparisons the robustness and accuracy for the practical application was demonstrated. LIBS also has great potential in the recycling of construction waste in conjunction with hyperspectral sensors. This issue is currently being addressed in a national project. During the presentation, the state of the art of LIBS in civil engineering will be presented, next steps will be discussed, and future challenges will be outlined.
Due to the ageing of the infrastructure facilities, a reliable assessment of the condition of concrete structures is of great interest to plan timely and appropriate measures. In concrete structures, pittingcorrosion of the reinforcement is the predominant deterioration mechanism affecting serviceability and eventually structural performance. Determination of quantitative chloride ingress is not only necessary to obtain valuable information on the current condition of a structure, but the data obtained can also be used to predict future developments and the associated risks. An overview of the progress and the possibilities of the application of laser-induced breakdown spectroscopy for concrete analysis in daily civil engineering practice is given. High-resolution 2D measurements of drill cores to determine the penetration of harmful species into concrete is presented. Furthermore, the application of a mobile LIBS system in a parking garage is shown. The system consists of a diode-pumped low-energy laser (3 mJ, 1.5 ns, 100 Hz) and a compact NIR spectrometer. A scanner allows two-dimensional element mapping. Progress towards the establishment of LIBS in a leaflet for the analysis of chlorine ingress into concrete in civil engineering is presented.
LIBS is a complementary method to XRF and can detect all elements without the need for vacuum conditions. Automated systems are already commercially available capable of scanning surfaces with a resolution of up to 0.1 mm within a few minutes. In addition to possible applications in R&D, LIBS is also used for practical applications in building materials laboratories and even on-site.
In view of ageing infrastructure facilities, a reliable assessment of the condition of concrete structures is of increasing interest. For concrete structures, the ingress of potential harmful ions is affecting the serviceability and eventually structural performance. Pitting corrosion induced by penetrating chlorides is the dominant deterioration mechanism. Condition assessment based on frequently performed chloride profiling can be useful to identify the extent and evolution of chloride ingress. This could prove to be more economical than extensive repairs, especially for important infrastructure facilities.
Currently the most common procedure for determining the chloride content is wet chemical analysis with standard resolution of 10 mm. The heterogeneity is not considered. LIBS is an economical alternative for determining the chloride content at depth intervals of 1 mm or less. It provides 2D distributions of multiple elements and can locate spots with higher concentrations. The results are directly correlated to the mass of binder and can also be performed on-site with a mobile LIBS-System.
The application of a LIBS-system is presented. Calibration is required for quantitative analysis. Concrete cores were drilled, sliced and analyzed to determine the 2D-distribution of harmful elements. By comparing the chloride ingress and the carbonation, the interaction of both processes can be visualized in a measurement that takes less than 10 minutes for a 50 mm x 100 mm drill core.
A leaflet on the use of LIBS for the chloride ingress assessment has been completed.
The application of a LIBS system is presented. A diode-pumped low energy laser (3 mJ, 1.5 ns, 100 Hz) and a compact NIR spectrometer are used. A scanner allows the two-dimensional element mapping. For the quantitative analysis calibration of the system is carried out with reference samples in a concentration range of chlorine of 0.05 wt.% to 2.5 wt.%. To determine the 2D distribution of harmful elements (Cl, C), concrete cores were drilled, split and analyzed directly. By comparing the chloride ingress and the carbonation, the interaction of both processes can be visualized in one measurement that takes less than 10 minutes with a drill core of 50 mm x 100 mm. Results obtained were compared and verified with standard measurements.
Es wird ein alternatives Verfahren zur schnellen zweidimensionalen Analyse der chemischen Zusammensetzung von Baustoffen vorgestellt. Dieses beruht auf der Kombination des Abtrags einer geringen Materialmenge durch einen gepulsten Laser, der Plasmaerzeugung und der Analyse der Lichtemission des Plasmas mittels optischer Spektroskopie. Es können prinzipiell alle Elemente gleichzeitig nachgewiesen werden. Damit ist es möglich einerseits Informationen über den Baustoff an sich als auch über den Eintrag potentiell schädigender Elemente (z. B. Cl, C, Na, K, S) zu gewinnen. Das Verfahren kann automatisiert im Labor oder als mobile Version direkt vor Ort eingesetzt werden. Es liefert zweidimensionale Bilder der Elementverteilung in Echtzeit. Es kann ohne große Probenvorbereitung z. B. direkt an der Querschnittsfläche eines Bohrkernes gemessen werden. Die Messung dauert nur wenige Minuten. Das Prinzip der Messung, die Vor- und die Nachteile, sowie die verfügbare Gerätetechnik für den Einsatz im Labor oder direkt am Bauwerk werden vorgestellt. Abschließend werden praktische Beispiele für die Anwendung des LIBS-Verfahrens zur Erfassung des Chlorid-Eintrages, der Karbonatisierung und der Verteilung von Schwefel präsentiert.
Concrete is often used in combination with steel as reinforced concrete. Environmental influences, especially the ingress of harmful ions in combination with the ingress of water, trigger different damage processes which reduce the designed lifetime of a structure. The ingress of chlorides from de-icing salt or sea water leads to corrosion of the reinforcement. Also the carbonation of the concrete may trigger the corrosion of the reinforcement. The ingress of alkalis from de-icing salts may cause the expansion of the amorphous silica aggregates (alkali-silica reaction) through formation of a swelling gel of calcium silicate hydrate if water is present. The ingress of sulfates may cause spalling of the concrete surface due to ettringite formation.
BAM has developed the LIBS technique for automated laboratory use with high numbers of samples to investigate transport processes of harmful species (Cl-, CO2, SO42- and alkalis) in concrete. Information about ingress depth and the quantitative values are important to estimate the remaining lifetime of the infrastructure. To get information about the ingress depth, a core has to be taken and cut in the middle. The measurements are carried out at the cross section. The main advantages of LIBS are the direct measurement on the surface of the concrete, fast analysis (sample rate 100 Hz) with a spatial resolution of up to 100 µm, the consideration of the heterogeneity of the concrete. The possibility of automated measurements saves a lot of manpower and time. At the same time a 2D-evaluation provides information about hot spots of elemental concentration which may not be found by standard methods.
Typical results of 2D investigation of concrete in laboratory will be presented. The performance is also demonstrated by examples for onsite applications using a mobile LIBS system. The road map to standardization is presented as well.
Die „Laser Induced Breakdown Spectroscopy“ (LIBS) bietet die Möglichkeit, direkt auf der optisch zugänglichen Oberfläche von Baustoffen 2-dimensional die Elementverteilung zu erfassen. Durch das zugrundeliegende Prinzip sind alle Elemente des Periodensystems detektierbar, auch leichte Elemente wie Wasserstoff oder Lithium.
Einerseits können alle für die Zusammensetzung des Zementes und der Gesteinskörnung relevanten Elemente erfasst werden, andererseits auch die für Schädigungsprozesse in Beton wichtigen Elemente Chlor, Schwefel, Natrium, Kalium, Kohlenstoff und Stickstoff. Der Nachweis kann simultan erfolgen.
Der Vorteil des Verfahrens liegt in der einfachen Probenvorbereitung, der direkten Messung auf der Oberfläche des Festkörpers und der Schnelligkeit der Messung. Die Heterogenität von Beton wird im Ergebnis berücksichtigt. Die Konzentrationen von schädigenden Ionen lassen sich bezogen auf den Bindemittelgehalt angeben. LIBS liefert standardmäßig qualitative Werte. Durch Kalibrierung anhand von Referenzproben ist eine Quantifizierung der Ergebnisse möglich.
Das Potenzial des Verfahrens wird am Beispiel der Bestimmung der Chlorid-Verteilung in der Bindemittelmatrix vorgestellt. Andere Anwendungen sind die Bestimmung der Karbonatisierungstiefe, die Bestimmung des Eintrages von Alkalien oder die Bestimmung der Verteilung von Schwefel.
Das Verfahren kann im Labor zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben oder vor-Ort zur schnellen Entscheidungsfindung eingesetzt werden. Kommerzielle Geräte sind seit kurzem verfügbar.
Die örtliche Auflösung der Messung beträgt bis zu 0,1 mm × 0,1 mm. Ein Messpunkt hat einen Durchmesser von ca. 100 μm. Die Messfrequenz liegt bei 100 Hz. Als Ergebnis entstehen für jedes Element eine 2D-Darstellungen der Konzentration über der Messfläche.
Der Scan eines Bohrkerns von 50 mm x 70 mm dauert bei einer Auflösung von 0,5 mm lateral und 1 mm vertikal ca. 7 min. Es können auch raue oder gebrochene Oberflächen durch Nachführung der z-Achse untersucht werden. Die Nachweisgrenze für die Bestimmung des Chlorgehaltes bezogen auf den Bindemittelgehalt liegt bei 0,03 M-%.
Der Unterausschuss LIBS im Bauwesen im FA ZfP im Bauwesen der DGZfP arbeitet an der Erstellung von Merkblättern und Regelwerken zur Anwendung des Verfahrens.
Auf dem Weg zum gläsernen Beton neues Analyseverfahren mit laserinduzierter Plasmaspektroskopie
(2018)
Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) oder englisch: Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) ist eine Kombination aus Laserablation mittels energiereichem Laser-Puls, der Erzeugung eines Plasmas auf der zu untersuchenden Oberfläche und dem quantitativen Nachweis der Elementzusammensetzung durch die spektroskopische Untersuchung der vom Plasma emittierten Strahlung. Das Verfahren wird z. B. in der Prozessanalytik, der Sortierung von Rest- und Rohstoffen oder zur Qualitätssicherung in der pharmazeutischen Industrie angewendet.
Das LIPS arbeitet scannend und liefert die zweidimensionale Verteilung der Konzentrationen ausgewählter Elemente – und das auch auf rauen Oberflächen. Alle Elemente können auch gleichzeitig erfasst werden. Damit lassen sich beispielsweise Unterschiede im Eindringverhalten von Chlor und Natrium dokumentieren. Nach einer Kalibrierung stehen quantitative Werte zur Verfügung.
Zurzeit sind Geräte für automatisierte Messungen im Labor und vor Ort verfügbar. Die scannende Messung, mit einer Ortsauflösung von bis zu 80 µm, erfasst die Heterogenität des Betons. Damit kann die ermittelte Konzentration direkt auf den Bindemittelgehalt bezogen werden. Die Messfrequenz beträgt aktuell 100 Hz. Beispielsweise dauert die Erfassung des Chlorgehaltes in einem Bohrkern mit 50 mm Durchmesser und einer Länge von 80 mm, bei drei Mittelungen pro Messpunkt und einer Auflösung von 0,5 mm, nur 8 Minuten. Das Ergebnis steht direkt nach der Messung als „Elementlandkarte“ zur Verfügung. Durch die hohe Ortsauflösung des Verfahrens können z. B. fundiertere Eingangsparameter für Modellrechnungen erzeugt oder der Transport durch Risse visualisiert werden.
Ein LIPS-Gerät liefert Daten für die Bewertung des Istzustandes von Infrastrukturbauwerken. Typische Anwendungen sind die Erfassung von Chlor, Schwefel, Kohlenstoff, Natrium, Kalium und Lithium im Beton oder der Nachweis, der mit einem Marker versehenen Tiefenhydrophobierung, welcher zur Qualitätssicherung herangezogen wird.
Die Messungen sind schnell und automatisiert, so dass eine große Anzahl von Betonkernen in kurzer Zeit ausgewertet werden kann. Die Nachweisgrenze für die Bestimmung der Chlorid-Konzentration liegt mit 0,04 % deutlich unterhalb der allgemein akzeptierten Grenze für die Initiierung der Bewehrungskorrosion von 0,5 % (bezogen auf den Bindemittelgehalt). Dies bestätigten auch Vor-Ort-Messungen, wo Staub und Erschütterungen wenig Einfluss auf die Ergebnisse hatten und das Messsystem sich als stabil und robust erwiesen hat.
Eine technische Spezifikation und Regeln für die Anwendung des Verfahrens erarbeitet der neu gegründete Unterausschuss LIBS im Fachausschuss Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen der Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e.V..
The majority of the built infrastructure is made of concrete, which is a multiphase system made of cement, aggregates, water and pores. Concrete is often used in combination with steel as reinforced concrete. Environmental influences, especially the ingress of harmful ions in combination with the ingress of water, trigger different damage processes which reduce the designed lifetime of a structure. The ingress of chlorides from de-icing salt or sea water leads to corrosion of the reinforcement. Also the carbonation of the concrete may trigger the corrosion of the reinforcement. The ingress of alkalis from de-icing salts may cause the expansion of the amorphous silica aggregates (alkali-silica reaction) through formation of a swelling gel of calcium silicate hydrate if water is present. The ingress of sulfates may cause spalling of the concrete surface due to ettringite formation.
For the standard procedure in civil engineering cores are taken, cut in slices, grinded and the obtained homogenized powder is solved in acid and investigated by standard procedures.
BAM has developed the LIBS technique for the 2D evaluation of the chemical composition of concrete [1-11]. The technique is established for automated laboratory use with high numbers of samples to investigate transport processes of harmful species (Cl-, CO2, SO42- and alkalis) in concrete. Information about ingress depth and the quantitative values are important to estimate the remaining lifetime of the infrastructure. LIBS is a surface technique. To get information about the ingress depth, a core has to be taken and cut in the middle. The measurements are carried out at the cross section. The main advantages of LIBS are the direct measurement on the surface of the concrete, fast analysis (sample rate 100 Hz) with a spatial resolution of up to 100 µm, the consideration of the heterogeneity of the concrete and the possibility of automated measurements which save a lot of manpower and time. As an example the investigation of ingress profiles for standard diffusion and migration tests in civil engineering takes hours in comparison to just a few minutes using LIBS. At the same time a 2D-evaluation provides information about hot spots of elemental concentration which may not be found by standard methods.
Ingress of chlorides due to a crack in a repair mortar. Left: Photo of the cross section of a concrete core and the surface investigated by LIBS (area 70 mm x 70 mm). Right: Color coded chlorine intensity on the cross section of a concrete core, dark red represents high chlorine content.
The state of the art of LIBS technique for applications in civil engineering will be presented, including typical results of 2D investigation of concrete in laboratory. The performance is also demonstrated by examples for onsite applications using a mobile LIBS system. The road map to standardization is presented as well.
Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a spectroscopic method for detecting the chemical composition of optically accessible surfaces. In principle, the measurement of all elements of the periodic table is possible. System calibrations allow the quantification of element concentrations. In combination with scanner systems, the two-dimensional element distribution can be determined. Even rough surfaces can be measured by online adjustment of the laser focus. To detect element ingress into the concrete, typically cores are taken, cut in half, and LIBS measurements are performed on the cross-section. The high spatial resolution as well as the simultaneous multi-element analysis enables a separate evaluation of the binder-matrix and aggregates. Therefore, the element concentrations can be determined directly related to the cement paste. LIBS measurements are applicable in the laboratory, on-site and also over a distance of several meters.
Common applications include the investigation of material deterioration due to the ingress of harmful ions and their interaction in porous building materials. LIBS is able to provide precise input parameters for simulation and modelling of the remaining lifetime of a structure. Besides the identification of materials, also their composition can be determined on hardened concrete, such as the type of cement or type of aggregate. This also involves the identification of environmentally hazardous elements contained in concrete. Another possible application is the detection of the composition of material flows during dismantling. Non-contact NDT for “difficult to assess” structures as an example application through safety glass or in combination with robotics and automation are also possible.
This work presents the state of the art concerning LIBS investigations on concrete by showing exemplary laboratory and on-site applications.
Gas distribution mapping is important to have an accurate understanding of gas concentration levels in hazardous environments. A major problem is that in-situ gas sensors are only able to measure concentrations at their specific location. The gas distribution in-between the sampling locations must therefore be modeled. In this research, we interpret the task of spatial interpolation between sparsely distributed sensors as a task of enhancing an image's resolution, namely super-resolution. Because autoencoders are proven to perform well for this super-resolution task, we trained a convolutional encoder-decoder neural network to map the gas distribution over a spatially sparse sensor network. Due to the difficulty to collect real-world gas distribution data and missing ground truth, we used synthetic data generated with a gas distribution simulator for training and evaluation of the model. Our results show that the neural network was able to learn the behavior of gas plumes and outperforms simpler interpolation techniques.
To better understand the dynamics in hazardous environments, gas distribution mapping aims to map the gas concentration levels
of a specified area precisely. Sampling is typically carried out in a spatially sparse manner, either with a mobile robot or a sensor network and concentration values between known data points have to be interpolated. In this paper, we investigate sequential deep learning models that are able to map the gas distribution based on a multiple time step input from a sensor network. We propose a novel hybrid convolutional LSTM - transpose convolutional structure that we train with synthetic gas distribution data. Our results show that learning the spatial and temporal correlation of gas plume patterns outperforms a non-sequential neural network model.
Development of a Low-Cost Sensing Node with Active Ventilation Fan for Air Pollution Monitoring
(2021)
A fully designed low-cost sensing node for air pollution monitoring and calibration results for several low-cost gas sensors are presented. As the state of the art is lacking information on the importance of an active ventilation system, the effect of an active fan is compared to the passive ventilation of a lamellar structured casing. Measurements obtained in an urban outdoor environment show that readings of the low-cost dust sensor (Sharp GP2Y1010AU0F) are distorted by the active ventilation system. While this behavior requires further research, a correlation with temperature and humidity inside the node shown.
Precise knowledge about the distribution of air pollutants is necessary to develop plausible occupational health measures. Combinatory systems, consisting of mobile robots and stationary sensors, can be effective solutions for the coverage of large measurement areas. However, further research is needed to fully understand their performance in comparison to traditional sensing strategies. Therefore, multiple sensor networks layouts will be set up in a simulation environment as well as in real industrial environments. Models for distribution mapping will be developed and evaluated to investigate the performance and opportunities of hybrid-mobility sensor networks for the task of distribution mapping.