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Organisationseinheit der BAM
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- 9 Komponentensicherheit (218)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (152)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (96)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (87)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (87)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (84)
- 7.2 Ingenieurbau (82)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (80)
Paper des Monats
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Die Kaiser-Wilhelm-Gedächtniskirche (KWG) gilt als eine der wichtigsten Sehenswürdigkeiten Berlins in der City West und als ein herausragendes Beispiel für die „Dalle de Verre“ Verglasungen in sakralen Gebäuden. Der vorliegende Beitrag widmet sich der Fassade und den Glasfenstern des neuen Glockenturms, wobei die beschriebenen Szenarien aufgrund der annähernd gleichen Bauweise der restlichen neuen Baukörper in weiten Teilen starke Analogien aufweisen und insofern übertragbar sind.
In nickelbasierten Superlegierungen, die für Gasturbinenschaufeln verwendet werden, sind bei hohen Betriebstemperaturen und -belastungen Kriechschäden, Ermüdung, Korrosion und Oxi-dation zu beobachten. Die betroffenen Turbinenschaufeln müssen ersetzt oder repariert werden, um Effizienzverluste und ein eventuelles Bauteilversagen zu vermeiden. In letzter Zeit wurden additive Fertigungs- und Lötverfahren für die Reparatur und das Fügen von Nickelbasiswerk-stoffen entwickelt, um die Einschränkungen der traditionellen Reparaturverfahren zu überwinden. Für eine auslegungsrelevante Bewertung des Risswachstumsverhaltens in den Fügezonen, die durch diese neuen Technologien erzeugt werden, sind Rissfortschrittsuntersuchungen erfor-derlich. Entsprechende Untersuchungen an gefügten Proben werden in diesem Beitrag vorge-stellt. Die Rissfortschrittsversuche werden an gefügten SEN-Proben (Single Edge Notch) bei einem Spannungsverhältnis von 0,1 und einer Temperatur von 950 °C durchgeführt. Das Riss-wachstum wird mit der DCPD-Methode (Direct Current Potential Drop) überwacht, und die ge-messenen Potenzialsignale werden anhand der optisch vermessenen Risslänge und einer Finite-Elemente-Analyse kalibriert. Der Spannungsintensitätsfaktor (SIF) für die gefügte SEN-Geometrie wird mit Hilfe von Finite-Elemente-Analysen berechnet. Auf diese Weise können Rissfortschrittskurven aus den experimentellen Daten abgeleitet werden.
Auf der Charlottenburger Brücke entstand mit dem Charlottenburger Tor und den beiden Kandelabern von 1905 bis 1908 ein repräsentatives Ensemble von Einzelbauwerken. Für die architektonische Wirkung des Charlottenburger Tores waren die beiden ca. 22 Meter hohen Kandelaber auf der Charlottenburg zugewandten Seite des Tores bedeutsam. Die Stiftung Denkmal ließ die Kandelaber seit Mai 2007 mit dem Ziel rekonstruieren, dem Tor, seiner Umgebung und der Straße des 17 Juni den historischen Gesamteindruck wiederzugeben. Im Rahmen der Rekonstruktion wurde die Grundsatzentscheidung getroffen, dass die Wiederherstellung der komplett zerstörten und auch nicht mehr in Fragmenten vorhandenen Kandelaber nicht unter Anwendung der Bautechnik von 1900 durchgeführt werden sollte. Die Zielsetzung war viel mehr, mit moderner Bautechnik die Anmutung der Kandelaber von 1903 wiederherzustellen, die in Verbindung mit anderen baulichen Elementen, wie der Charlottenburger Brücke und des Charlottenburger Tores, den historischen Gesamtkomplex bilden.
Wasserstoff erfüllt die zentrale Rolle für die Umwandlung der bisherigen fossil-basierten Energieerzeugung und -nutzung auf eine dekarbonisierte, nachhaltige Form. Dazu muss der Wasserstoff erzeugt, gespeichert, transportiert werden, bevor er wieder der Nutzung zugeführt wird. Hierzu sind entlang der gesamtem Prozesskette Wasserstofftechnologien notwendig, die einen sicheren Betrieb erfordern. Hierbei kommt dem schweißtechnischen Anlagen- und Behälterbau wesentliche Bedeutung zu, insbesondere (aber nicht ausschließlich) für Speicherung und Transport des Wasserstoffes. Der vorliegende Beitrag gibt einen kurzen Überblick, wo und wie die konventionelle Schweißtechnik hierzu wichtige Beiträge leistet. Die additive Fertigung, also das „Drucken“ von Bauteilen wird dabei zunehmend wichtiger, entlang der gesamtem Prozesskette der Wasserstofftechnologien. Gleichwohl darf nicht unterschätzt werden, dass auch wesentlicher Bedarf an der Erweiterung und teilweiser Neufassung von bestehenden Regel- und Normenwerken besteht.
Temperature compensation strategies play a key role in the implementation of guided wave based structural health monitoring approaches. The varying temperature influences the performance of the inspection system inducing false alarms or missed detection, with a consequent reduction of reliability. This paper quantitatively assesses two temperature compensation methods, namely the optimal baseline selection (OBS) and the baseline signal stretch (BSS), with the aim to extend their use to the case of distributed sensor networks (DSN). The effect of temperature separation between baseline time-traces in OBS and BSS are investigated considering multiple couples of sensors employed in the DSN. A decision strategy that uses frequent value warning to define the optimal baseline or stretching parameter is found to be effective analyzing data from two several experiments, which use different frequency analysis with either predominantly A0 mode or S0 mode data or both. The focus is given on the fact that different paths are available in a sensor network and several possible combinations of results are available. Nonetheless, introducing a frequent value warning it is possible to increase the efficiency of the OBS and BSS approach making use of fewer signal processing algorithms. In addition, the effectiveness of those approach is quantified using damage indicators as metric, which confirms that the performance of OBS and BSS quantitatively agree with predictions and also demonstrate that the use of compensation strategies improve detectability of damage with a higher reliability of the system.
Energy efficient products often have a higher purchase price than less efficient alternatives. However, the life cycle costs are often lower due to the lower operating costs. From a purely economic point of view, efficient appliances are not only more ecological but often also more economical and, accordingly, should be purchased more frequently than less efficient appliances. However, this is not always the case. Information deficits are one of the major reasons of this discrepancy: the purchase price is visible during the purchasing process, but the follow-up costs are not, at least not in their exact amount. The EU Energy Label can be considered as a solution to close this gap. During the past decades, there has been a discussion on whether it would be better to communicate the monetary costs associated with energy consumption, since their calculation by the consumer is difficult or needs a high level of cognitive effort.
In this study, experiments and field studies on a total of 19 product groups were evaluated with regard to the question of whether the indication of costs instead of physical units affects the decision-making process of the consumer. It has been assessed under which circumstances it might positively influence the purchase decision of the customer, i.e. helping him or her to arrive at a more “energy efficient” decision. Overall, the results indicate that monetary claims possibly exceed the effect of claims on a physical basis when the costs or the differences between the alternatives available seem “relevant” to the consumer.
Antibiotic resistance is a growing global problem which poses a massive threat to human health. Although human activity contributes to the acceleration of the process, bacteria have a self-driven stabilisation mechanism to protect themselves from such and other external threats: biofilm formation. Nonetheless, it is the adhesion of a single bacterial cell to a surface that triggers the formation of such network of biomolecules and microorganisms, as well as its hazardous consequences. The main objective of this work was to quantify the adhesion force of a single E. coli cell on a Ti substrate via the AFM-related single-cell force spectroscopy, with both the cell and the substrate material being of high clinical relevance. A set of 25 x 25 force displacement curves was acquired with a maximum force of 3.2 nN without dwell time, yielding a topography map and an adhesion force map that showed to be correlated. A mean adhesion force of 0.85 ± 0.175 nN was measured and the presence of cell appendages on the bacterial cell wall was verified through individual force-displacement curves. Bacterial viability was assessed after the measurements via live/dead staining.
Das Master Curve (MC) Konzept nach ASTM E1921 wird momentan u.a. in der Kerntechnik für die bruchmechanische Sicherheitsbewertung ferritischer Stähle eingesetzt.
Für ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) fehlt jedoch eine Validierung dieser Methode und ggf. eine systematische Überprüfung möglicher Modifikationen grundlegender Ansätze des MC-Konzepts. Aus diesem Grund soll in einem kürzlich gestarteten BMUV-Verbundprojekt zwischen der MPA Stuttgart und der BAM Berlin die Anwendbarkeit des MC-Konzepts auf GJS bei dynamischer Beanspruchung untersucht werden. Ziel ist es, eine effektive und effiziente Methodik bereitzustellen, mit der mittels einer vergleichsweise kleinen Stichprobe bruchmechanischer Kleinproben eine Referenztemperatur T0 zur werkstoffspezifischen Temperaturjustierung der MC ermittelt werden kann.
A new patented dynamic mechanical analysis (DMA) is presented, where the tensile, bending- or torsional stiffness of a media can be characterized in-situ during the phase transition from liquid to solid. An epoxy system, e.g. Hexion L285/H287, is filled into an elastomer container, such as a silicone tube. This can be mounted into a conventional OMA and, based on a linear viscoelastic approach, the storage modulus (E';G'), the loss modulus (E'';G'') and the loss angle tan(δ) can be measured at constant temperature as a function of time in order to investigate the liquid to sol-gel to solid transition. With this new method, the stiffness increase as a result of the cure process can be directly measured more precisely than with a rheometer in a shear plate set-up, because using an elastomer container gives a defined cross section for calculating the Young's modulus.
Fully-reversed fatigue behavior of scarf joint repairs for wind turbine blade shell applications
(2022)
To enable a quick and cost-effective return to service for wind turbine blades, localized repairs can be executed by technicians in the field. Scarf repairs, shown to be highly efficient with a smooth load transition across angled joint walls and a restored aerodynamic profile, are the focus of this work. The failure mechanisms of these structures were examined under quasi-static tensile and fully-reversed cyclic loading. While the scarf ratio was held constant at 1:50, the repair layup was varied between large-to-small and small-to-large. The effect of the presence of resin pockets and the fiber orientation mismatch between parent and repair material on the restored strength of BIAX ±45° glass fiber reinforced polymer scarf joint structures was studied.
Etalon effects in THz transmittance spectra, either taken in time- domain or frequency-domain, often hamper or even hinder the interpretation of film properties. In this paper we discuss the transferability and applicability of spectroscopic methods typically employed in the near and mid infrared spectral range to eliminate the fringes in the transmittance spectra in the THz spectral range.
Multi-sensory monitoring and ultrasound for quality assurance at underground sealing structures
(2023)
Within the safety concepts of underground disposal sites of nuclear waste, engineered barriers play an important role. As these sealing structures have high demands concerning integrity, we aim at advancing the available construction materials, monitoring, and inspection techniques within the project SealWasteSafe. A specifically developed alkali-activated material is compared to classical salt concrete. A comprehensive multi-sensory monitoring scheme is used at 150-340 l specimens to monitor setting and hardening of both materials. All sensors are demonstrated to resist the highly alkaline environments. Besides cabled and wireless temperature and humidity of the materials, strain variations using fibre optic sensors and acoustic emissions are recorded over periods of at least 28 days, partly for more than eight months. After hardening of the specimens, further nondestructive evaluations using ultrasonic echo and thermographic measurements are conducted.
Preliminary results proof the suitability of the tested sensors and clearly highlight differences between the tested materials. Particularly, the newly developed alkali-activated material shows lower acoustic emission activity indicating less cracking activity. Additionally, unique ultrasonic methods will enable better images of potential internal objects and cracks at in-situ sealing structures. A largescale ultrasonic system is optimised to reliably detect objects at a depth exceeding 9 m while still obtaining a good resolution. Modelling studies show the potential of further increasing the distance between individual transducer arrays. Additionally, a new ultrasonic borehole probe using phased arrays allowing for beam focussing is constructed and tested. Laboratory measurements at a halfcylindrical concrete specimen coincide well with the previous modelling. In total, the presented safe materials, detailed monitoring approaches and ultrasonic quality assurance methods will help to obtain safe sealing structures within salt as a host rock. The concepts can partly be transferred to sealing structures in alternative host rocks and will also be valuable for non-nuclear waste repositories.
The adaption of the set-up for gas permeability measurements for ultra-high performance concrete
(2022)
In the framework of this project, a steam pressure vessel was to be developed from ultra-high perfor-mance concrete (UHPC) to withstand process temperatures of 200 °C and the respective steam pressure of 15,5 bar. To guarantee the long-term water vapour tightness of the system, the permeability of two UHPC mixtures were tested after long-term cyclic autoclaving. As UPHC shows a high density and therefore low permeability, measurements after the RILEM-Recommendation (TC 116-PCD) reached their detection limit. Therefore, the measurement set-up was adapted to measure the permeability of highly dense UHPC more reliably and quickly. This adaption includes measurements in a higher pres-sure range, the change of sample size thickness and the usage of Ar as a medium compared with the RILEM Recommendation. Additionally, the system was equipped with two pressure sensors and Ar-flowmeters to guarantee a continuous record of the experimental parameters. The new system was tested and evaluated by comparing measurements with the RILEM recommended system. Preliminary results show that the adapted system is capable to provide efficient and reliable results of concrete with low permeability.
The knowledge of fatigue crack propagation data in terms of their effective values is important for a conservative and safe life assessment of components subjected to cyclic loading. To overcome issues related to the precise consideration of the crack-closure effects on experimental data obtained at small R ratios, closure-free data have been obtained at R ≈ 0.8 by different experimental procedures. The statistical analysis of the intrinsic fatigue crack propagation threshold obtained experimentally has shown a small data scatter and good agreement between procedures. When compared with effective values obtained from analytical corrections of closure-affected data, the data obtained at R ≈ 0.8 should lead to a conservative life estimation.
Das hochaktuelle Thema der Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien ('Digitalisierung von Materialien') wird in den Projekten Innovationsplattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) und Materials-open-Lab (Mat-o-Lab, matolab.org) adressiert. In diesem Beitrag werden die Weiterentwicklungen in diesen Projekten hinsichtlich der Speicherung von Zugversuchsdaten gemäß einer normenkonformen (DIN EN ISO 6892-1:2019-11) ontologischen Repräsentation vorgestellt. Das umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verknüpfung von Ontologie und Daten. Letztendlich können die entsprechenden Daten in einem Triple Store abgelegt und abgefragt werden.
Komponenten von Fahrrädern werden im Betrieb vorwiegend schwingend beansprucht. Typische Werkstoffe sind Stahl, Aluminiumlegierungen, Messing, CFK und thermoplastische Kunststoffe. Da es sich, unabhängig von der Preiskategorie, um konstruktiven Leichtbau handelt, werden einige Bauteile betriebsfest mehr oder weniger weit oberhalb der Dauerfestigkeit ausgelegt. Die im normalen Betrieb auftretenden Schäden sind daher weit überwiegend Schwingbrüche. Andere Schadensmechanismen wie z.B. Korrosion spielen quantitativ eine untergeordnete Rolle. Schwingbrüche treten nach einer Periode unbemerkten Risswachstums oft ohne Vorwarnung und ohne makroskopische Verformung auf. Im Falle von sicherheitsrelevanten Komponenten wie Rahmen, Gabeln, Lenkern, Sattelstützen, Kurbelarmen oder Pedalen kann dies zu erheblichen Personenschäden führen, die den Wert des ursächlichen Bauteilschadens weit überschreiten.
Über einen langjährigen Zeitraum wurden gebrochene Komponenten aus dem Alltag und aus Gerichtsverfahren analysiert. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der fraktographischen Analyse, teilweise wurden die zu Grunde liegenden Schadensursachen ermittelt. Einflussfaktoren sind beispielsweise konstruktive Kerben an ungünstigen Stellen, aber auch Werkstoffwahl und Fertigungsqualität spielen eine Rolle. In den meisten Fällen wurde jedoch die konstruktive Lebensdauer überschritten. Diese wird praktisch nie mitgeteilt, und eine wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile findet nicht statt.
Im Sinne der Vermeidung von Schäden und Unfällen könnte darauf hingewirkt werden, für sicherheitsrelevante Komponenten Lebensdauern besser abzuschätzen und von der Laufleistung abhängige Sichtprüfungen zu empfehlen.
A new type of ultrasonic borehole probe is currently under development for the quality assurance of sealing structures in radioactive waste repositories using existing research boreholes. The goal is to examine the sealing structures made of salt concrete for possible cracks, delamination, and embedded objects. Earlier prototype probes use 12 or 16 individual dry point contact (DPC) horizontal shear wave transducers grouped into a transmitter and a receiver array, each made up of six or eight individual transducers. They are operated with a commercially available portable ultrasonic flaw detector used in the civil engineering industry. To increase the generated sound pressure of the borehole probe, the number of transducers in the novel probe is increased to 32. In addition, timed excitation of each probe is used to direct a focused sound beam to a specific angle and distance based on calculated time delays. Hence, the sensitive test volume is limited, and the signal-to-noise ratio of the received signals is improved. This paper presents the validation of the newly developed phased array borehole probe by beam computation in CIVA software and experimental investigations on a semi-cylindrical test specimen to investigate the directional characteristics. In combination with geophysical reconstruction techniques, an optimised radiation pattern of the probe is expected to improve the signal quality and thus increase the reliability of the imaging results.
This is of great importance for the construction of safe sealing structures needed for the disposal of radioactive or toxic waste.
Understanding on how a machine learning model interprets data is a crucial step to verify its reliability and avoid overfitting. While the focus of the scientific community is nowadays orientated towards deep learning approaches, which are considered as black box approaches, this work presents a toolbox that is based on complementary methods of feature extraction and selection, where the classification decisions of the model are transparent and can be physically interpreted. On the example of guided wave benchmark data from the open guided waves platform, where delamination defects were simulated at multiple positions on a carbon fiber reinforced plastic plate under varying temperature conditions, the authors could identify suitable frequencies for further investigations and experiments. Furthermore, the authors presented a realistic validation scenario which ensures that the machine learning model learns global damage characteristics rather than position specific characteristics.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein.
Multielement-Legierungen (MPEA – multiple pricipal element alloys) stellen eine neue Klasse von Werkstoffen dar, die aus mindestens drei äquiatomaren Legierungselementen mit jeweils einem Gehalt von 5–35 Atom-% bestehen. Somit unterscheidet sich das Legierungskonzept fundamental von konventionellen bspw. Stahl- oder Al-basierten Legierungen. In jüngster Zeit lag der Schwerpunkt auf dem Legierungs-Design der MPEA und der Überprüfung bzw. Erreichung der gewünschten Eigenschaften bzw. -kombinationen. Hierzu werden die egierungselemente gezielt ausgewählt und die Mikrostrukturen ein- und zum Teil auch mehrphasig eingestellt. Ziel sind hochinnovative MPEA mit angepassten Eigenschaften für die industrielle Anwendung. Dabei sollen insbesondere die bei konventionellen Legierungen wesentlichen Zielkonflikte, wie bspw. der Trade-off zwischen Festigkeit und Duktilität, überwunden werden. Darüber hinaus sind mechanische Eigenschaften bei sehr hohen sowie kryogenen Temperaturen bei gleichzeitig höchster Korrosionsbeständigkeit von hohem Interesse. Die Herstellung von Bauteilen erfordert dazu werkstoff- und beanspruchungsgerechte Füge- bzw. Schweißverfahren. Der Schweißeignung von MPEA wurde bis Ende 2021 nur äußert wenig Aufmerksamkeit zuteil. Die Auswirkungen durch Schweißprozesse auf die Metallurgie und die gewünschten Eigenschaften sind bisher kaum bekannt und limitieren die potenzielle Anwendbarkeit als Funktions- oder Konstruktionswerkstoffe.
In einem interdisziplinären BAM-Forschungsprojekt werden aktuell grundlegende Untersuchungen zur Schweißverarbeitung und resultierender Mikrostruktur-Anwendungseigenschafts-Beziehung verschiedener MPEA durchgeführt. Insbesondere Wärmeeinflusszone und Schweißgut sind geprägt durch eine Mikrostruktur, die aus Ungleichgewichtszuständen resultiert. Im Falle von MPEA wurde dies bisher nicht systematisch untersucht. Dazu erfolgte im Rahmen des Projektes eine umfassende Literaturauswertung zum Schweißen von MPEA und Zusammenfassung in einer umfassenden, systematischen Datenbasis. Aus diesem Grund sollen in der vorliegenden Studie die bisher bedeutsamsten Erkenntnisse zur Schweißbarkeit von MPEA systematisch nach MPEA-Typ und Schweißverfahren geordnet und mit eigenen aktuellen Forschungsergebnissen verglichen werden. Durch WIG- und Rührreibschweißversuche an den MPEA-Systemen CoCrNiFeMn bzw. CoCrNi konnten im Projektverlauf bereits wesentliche Fragestellungen beantwortet werden. Dazu zählen Auftreten bzw. Verhinderung intermetallischer Phasen/Seigerungen oder deren Auswirkung auf die Eigenschaften der Schweißverbindung (bspw. Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit).
Die lichtbogenbasierte, additive Fertigung ist dank hoher erreichbarer Aufbauraten und nahezu uneingeschränktem Bauraum zur Fertigung großvolumiger Bauteile prädestiniert. Die Kombination etablierter Maschinenkomponenten aus Robotertechnik, Schweißtechnik und Sensorik ermöglicht den präzisen schichtweisen Materialauftrag. Die Wirkmechanismen zwischen Prozessparametern und den daraus resultierenden mechanisch-technologischen Eigenschaften der additiv gefertigten Bauteile stellen eine Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere auch für dickwandige Bauteile. Bei der Fertigung von Bauteilen aus höherfesten Al-Mg-Si-Aluminiumlegierungen ist aufgrund der hohen Anfälligkeit für Erstarrungsrisse und der Neigung zu wasserstoffinduzierter Porosität im besonderen Maße auf das Temperaturregime und die gewählte Aufbaustrategie zu achten.
Der Einfluss der Prozessparameter auf die Bauteilqualität wurde durch die Analyse der Größe und Verteilung von Poren sowie der resultierenden Festigkeit untersucht. Darüber hinaus wurde der Einfluss einer Wärmenachbehandlungsstrategien auf das Festigkeitsverhalten analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass dickwandige Strukturen aus höherfesten Al-Mg-Si-Aluminiumlegierungen mit mechanischen Kennwerten im Bereich des Referenzmaterials mittels MSGLichtbogenverfahren additiv gefertigt werden können.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Kommerzielle hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Derzeit ist jedoch eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse untersucht. Im Fokus dieser Analysen steht die Bestimmung der Wechselwirkungen zwischen WAAM-Prozessparametern bzw. der Wärmeführung auf das Gefüge und die Eigenspannungen. Hierfür werden Referenzproben als offene Hohlquader mit definierten Abmessungen vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die gezielte Einstellung der geometrischen Eigenschaften erfolgt durch Schweißparameter und Nahtaufbau bei ca. 4 kg/h mittlerer Abschmelzleistung. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplanes mittels Streckenenergie (200 kJ/m bis 650 kJ/m) und Zwischenlagentemperatur (100 °C bis 300 °C) so variiert, dass die t8/5-Abkühlzeiten dem empfohlenen Verarbeitungsbereich entsprechen (ca. 5 s bis 20 s). Ziel ist es bei konstanten geometrisch-konstruktiven Randbedingungen, den Einfluss der Wärmeführung auf Gefüge und resultierende Eigenspannungen zu analysieren. Für die Streckenenergie können neben den Gefügeeinflüssen aufgrund der resultierenden Abkühlzeit deutliche Effekte insbesondere auf die lokalen Eigenspannungen im Bauteil belegt werden. Das Schweißen mit zu hoher Wärmeeinbringung bzw. Abschmelzleistung kann zu ungünstigen Gefüge- und Bauteileigenschaften führen, gleichzeitig jedoch niedrigere Zugeigenspannungsniveaus bewirken. Solche komplexen Wechselwirkungen gilt es letztlich mit diesen Untersuchungen zu klären, um leicht anwendbare Verarbeitungsempfehlungen und Normvorgaben für ein wirtschaftliches, anforderungsgerechtes und risssicheres WAAM von hochfesten Stählen den Anwendern zur Verfügung zu stellen.
Eine nachhaltige und ressourceneffiziente Fertigung und Errichtung von Windenergieanlagen, sowohl auf See als auch an Land, erfordert zunehmend den Einsatz moderner hochfester Feinkornbaustähle. Werden nach dem Schweißen dieser hochfesten Konstruktionen unzulässige Defekte detektiert, sind nach geltenden Verarbeitungsrichtlinien die defekten Bereiche durch lokales Ausfugen und anschließendes Schweißen zu reparieren. Fehlende Informationen zu adäquaten Reparaturkonzepten in den Regelwerken bedingen oftmals eine unzureichende Berücksichtigung dabei auftretender zusätzlicher Beanspruchungen durch die erhöhte Schrumpfbehinderung der Ausfugenuten. Zusätzlich haben die ausführenden Betriebe vielfach kaum Kenntnis über die Degradation angrenzender Gefüge durch thermische Ausfugeprozesse und erneutes Schweißen, die in diesem Zusammenhang besonders bei den hochfesten Stählen als kritisch anzusehen sind. Das aktuelle Forschungsvorhaben der BAM (FOSTA P1311/IGF-Nr.20162N) fokussiert hierfür systematisch bauteilrelevante Untersuchungen zu den schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügeveränderungen bei der Reparatur von hochfesten Schweißverbindungen. Wesentlich sind hierbei der Einfluss der Schrumpfbehinderung, der Wärmeführung beim Schweißen und Ausfugen sowie der Reparaturzyklenanzahl und die metallurgischen Aspekte bei den hochfesten Güten S500MLO für zukünftige Offshore-Anwendungen und S960QL für aktuelle Mobilkrananwendungen. Aufbauend auf einigen Studien zur schweißbedingten Beanspruchung hochfester Stähle zeigt der vorliegende Beitrag die Identifikation geeigneter Probengeometrien und Schweißdetails mittels numerischer und experimenteller Analysen. Dadurch wird die Übertragbarkeit der vorgestellten Schweißexperimente und Ergebnisse hinsichtlich der resultierenden Schweißeigenspannungen auf reale Reparaturfälle im Bereich des hochfesten Stahlbaus sichergestellt. Es zeigt sich in Übereinstimmung mit früheren Ergebnissen eine signifikante Erhöhung der Beanspruchungen an den variierten schlitzförmigen Prüfnähten. Das Eigenspannungsniveau sowohl im Schweißgut als auch in der WEZ korreliert mit dem Einspanngrad. Mit dem Ziel beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte zu erarbeiten, sind zum einen geringere Wärmeinbringungen, besonders durch niedrige Zwischenlagentemperaturen und Einspannbedingungen anzustreben, um hohe Beanspruchungen und kritische Gefügedegradationen im Reparaturbereich zu vermeiden. Dies wird durch systematische Untersuchungen zum Ausfugen und Schweißen sowie letztlich dem Transfer von Verarbeitungsempfehlungen für die Anwender und Richtlinien erreicht.
Für Komponenten im Turbinen- oder Anlagenbau werden aufgrund ihrer Eigenschaften häufig Kobalt-Chrom-Legierungen verwendet. Diese weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit und hohen Verschleißwiederstand auf. Aufgrund der komplexen Strukturen und dem Bestreben nach Ressourceneffizienz wird zur Herstellung der Komponenten die additive Fertigung verwendet. Hierbei sind hinsichtlich der Inhomogenität und Anisotropie der Gefüge und deren Eigenschaften weitere Kenntnisse notwendig. Bei den vorliegenden Belastungen liegt ein erhöhter Anspruch an die Oberflächenintegrität vor, welcher durch komplementären Einsatz von additiven und abtragenden Fertigungsschritten sichergestellt wird. Dabei sind gerade Co-Cr-Legierungen wegen der niedrigen Wärmeleitfähigkeit verbunden mit hoher Festigkeit und Zähigkeit äußerst herausfordernd mit Blick auf eine wirtschaftliche Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Ausgehend von dieser Problemstellung erfolgt im Zuge eines Gemeinschaftsvorhabens des ISAF in Kooperation mit der BAM eine gezielte Beeinflussung des Gefüges. Ziel des Projektes ist die Zusammenhänge zwischen verschiedenen Legierungsmodifikationen, der entstehenden Gefügemorphologie und den Zerspanungseigenschaften von Co- Cr-Legierungen für die additive Fertigung mittels PTA darzustellen. Der Fokus liegt auf dem Beheben der bestehenden Nachteile bei gleichzeitigem Aufrechthalten der besonderen Eigenschaften der Legierung. Durch das Hinzulegieren von variierenden Gehalten von Zirkonium und Hafnium wird die Gefügeveränderung eingestellt. Es hat sich gezeigt, dass Hafnium als zusätzliches Legierungselement einen deutlichen Einfluss auf die Gefügemorphologie hat. Darüber hinaus wird die Auswirkung der Legierungsmodifikation auf die Härte und die Zerspanbarkeit dargestellt.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Kommerzielle hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Derzeit ist jedoch eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse untersucht. Im Fokus dieser Analysen steht die Bestimmung der Wechselwirkungen zwischen WAAM-Prozessparametern bzw. der Wärmeführung auf das Gefüge und die Eigenspannungen. Hierfür werden Referenzproben als offene Hohlquader mit definierten Abmessungen vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die gezielte Einstellung der geometrischen Eigenschaften erfolgt durch Schweißparameter und Nahtaufbau bei ca. 4 kg/h mittlerer Abschmelzleistung. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplanes mittels Streckenenergie (200 kJ/m bis 650 kJ/m) und Zwischenlagentemperatur (100 °C bis 300 °C) so variiert, dass die t8/5-Abkühlzeiten dem empfohlenen Verarbeitungsbereich entsprechen (ca. 5 s bis 20 s). Ziel ist es bei konstanten geometrisch-konstruktiven Randbedingungen, den Einfluss der Wärmeführung auf Gefüge und resultierende Eigenspannungen zu analysieren. Darüber hinaus erfolgt die Bestimmung des Einflusses der t8/5-Abkühlzeit auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften des speziellen, hochfesten WAAM-Massivdrahts mithilfe von Dilatometeranalysen. Für die Streckenenergie können neben den Gefügeeinflüssen aufgrund der resultierenden Abkühlzeit deutliche Effekte insbesondere auf die lokalen Eigenspannungen im Bauteil belegt werden. Das Schweißen mit zu hoher Wärmeeinbringung bzw. Abschmelzleistung kann zu ungünstigen Gefüge- und Bauteileigenschaften führen, gleichzeitig jedoch niedrigere Zugeigenspannungsniveaus bewirken. Die Dilatometeranalysen zeigen für den untersuchten WAAM-Schweißzusatzwerkstoff eine großes t8/5-Zeitfenster mit einer vergleichsweise geringen Abnahme der Zugfestigkeit mit zunehmender t8/5-Abkühlzeit. Solche komplexen Wechselwirkungen gilt es letztlich mit diesen Untersuchungen zu klären, um leicht anwendbare Verarbeitungsempfehlungen und Normvorgaben für ein wirtschaftliches, anforderungsgerechtes und risssicheres WAAM von hochfesten Stählen den Anwendern zur Verfügung zu stellen.
Die additive Verarbeitung hochfester Feinkornbaustähle mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ist ein komplexes, aber zugleich auch effizientes Verfahren, bei dem Werkstoff, Bauteilgeometrie und Schweißprozess gezielt aufeinander abgestimmt sein müssen. Ziel dieser Studie war es, einen Zusammenhang zwischen den Prozessparametern und der generierten Schichtgeometrie zu ermitteln. Dazu wurden definierte Referenzkörper mit einem robotergestützten Schweißsystem additiv gefertigt und hinsichtlich Schichthöhe, Wandstärke und Mikrostruktur analysiert. Fokus der Untersuchung waren sowohl konventionelle als auch für die WAAM-Fertigung speziell entwickelte hochfeste Schweißzusatzwerkstoffe. Die geometrischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile lassen sich insbesondere durch die Faktoren Drahtvorschubgeschwindigkeit und Schweißgeschwindigkeit gezielt einstellen. Jedoch können diese Parameter nicht beliebig variiert werden, auch aufgrund der rheologischen Eigenschaften der Zusatzwerkstoffe. Zu hohe Streckenenergien führen zu lokalen Überhitzungen und Fehlstellen in der generierten Schicht. Undefinierte Fließ- und Erstarrungsvorgänge im überhitzten Bereich erschweren die maßhaltige Fertigung. Deshalb wird bei speziellen WAAM-Schweißdrähten das Fließverhalten gezielt modifiziert, sodass es über einen größeren Temperaturbereich hinweg konstant ist. Erst die Kenntnis über die komplexen Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und der Bauteilgeometrie ermöglicht die Erzeugung exakter Schichtmodelle für die additive Fertigung. Dies bildet die Grundlage für die Bearbeitung weiterer Fragestellungen auf dem Gebiet der additiven Fertigung mit hochfesten Zusatzwerkstoffen und insbesondere deren Anwendung in modernen hochfesten Bauteilen.
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.
In vielen Anwendungen werden aufgrund zunehmender Anforderungen an den Widerstand gegenüber hohen, kombinierten mechanischen, tribologischen, thermischen und korrosiven Beanspruchungen Hochleistungslegierungen eingesetzt. Den vielfach komplexen Bauteilstrukturen, herausfordernden Fertigungseigenschaften und der Erhöhung der Ressourceneffizienz lässt sich heute mit der additiven Fertigung (AM) begegnen, dem oftmals noch unzureichende Kenntnisse über die resultierende Homogenität und Anisotropie der speziellen Gefüge und den damit verbundenen Eigenschaften entgegensteht. Viele Anwendungen benötigen zudem definierte Oberflächen mit hohen Anforderungen an die Oberflächenintegrität, dem durch komplementären Einsatz von additiven und abtragenden Fertigungsschritten Rechnung getragen wird. Hochleistungslegierungen auf der Basis von Nickel oder Kobalt sind infolge der niedrigen Wärmeleitfähigkeit verbunden mit hoher Festigkeit und Zähigkeit äußerst herausfordernd mit Blick auf eine wirtschaftliche Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Ein Vorhaben (IGF-Nr. 20.979 N/DVS-Nr. 1.3211) der BAM und TU Clausthal/ISAF befasst sich mit der Lösung dieser Problemstellung durch gezielte Beeinflussung des Gefüges mittels Modifikation der Schweißzusatzwerkstoffe und den Einsatz des ultraschallunterstützten Fräsens (US), bei gleichzeitiger Sicherstellung der geforderten Eigenschaften der untersuchten Werkstoffe. Im vorliegenden Beitrag werden für die beiden untersuchten FeNi- und CoCr-Legierungen wesentliche Zusammenhänge zwischen verschiedenen Legierungsmodifikationen, der entstehenden Gefügemorphologie und den Zerspanungseigenschaften von mittels PTA additiv gefertigter Proben dargestellt. Hierbei ließen sich Ti, Zr und Hf pulvermetallurgisch zu den jeweiligen Ausgangsschweißzusätzen hinzulegieren.
Usually, geometric irregularities are considered as the main cause of ground vibrations from trains. A varying stiffness of the track, the track support and the soil can also generate ground vibrations. The regular stiffness variation of the track on and between the sleepers results in a deterministic dynamic axle load. The random stiffness variation of the track support yields also dynamic axle loads which are generated by the acceleration of the unsprung mass (from the varying wheel displacements under the static axle load). The random stiffness variation has a second effect. The pulses from the passage of the static axle loads are superposed regularly to the quasi-static response, but also irregularly to yield a “scattered” part of the axle pulses. The same holds for a random variation of the soil stiffness. All these effects of stiffness variations have been calculated by wavenumber-domain multi-beam track models, a random finite-element soil model and the superposition of axle impulses in a stochastic simulation. The results are confronted with many measurements at different sites. It is concluded that the stiffness variation of the track and the soil generate an important ground vibration component near railway lines.
A simple and fast prediction scheme is presented for train-induced ground and building vibrations. For the emission, finite-element boundary-element or multiple-beam-on-continuous-soil models of the track have been analysed and approximated by faster track-on-Winkler-soil models. The vehicle-track interaction due to irregularities yields the excitation forces. For the transmission of waves in the soil, the wavenumber integral of the compliance of layered soils has been evaluated. The calculation time is reduced for the prediction by using the solution of a homogeneous half-space with a frequency-dependent wave velocity (the dispersion) of the soil. For the immision, many 2 and 3-dimenisonal finite-element building models have been investigated, and a good approximation has been established by a 1-dimensional soil-wall-floor model. In addition, the axle sequence of the train, the quasi-static and the “scattered” response of the soil, and the wave propagation from a tunnel to a pile foundation of a building have been included.
Vibration measurements have many causes and many technical and natural sources. Problems can sometimes be solved by short-term measurements, but in many cases, a long-term measurement is necessary. In long-term measurements of days, weeks, months and even years, it is easy to collect a huge quantity of raw data, but at the end, the post-processing of these data can be exhausting (for example one-year vibration data of a wind energy tower). A software has been developed which con-sists of measuring and evaluation routines where the measuring routines can operate different meas-uring systems and different measuring cards. The main advantage of this software is the fact that the interesting evaluations can be integrated in the measuring process so that the characteristics of the vibration can be extracted without storing all the raw data. Only important time segments are stored, for example train passages. The overall concept of the software and the main evaluation routines will be described in some details. Examples of our measurement experience will illustrate the capabilities of the software. 1) Surveying construction work in nearby sensitive buildings (for example an old wind tunnel), including a stable alarm system and meaningful vibration limits. 2) Prediction of train-induced vibration for a planned building to prevent annoyance and to improve the building design. 3) Modal analysis and long term measurements of several single- or multi-span, concrete or steel bridges 4) Modal and wave analysis of coupled floors in a historical building (“Neues Palais” at Potsdam). 5) Soil properties of various measurement sites (different routines to evaluate the dispersion). Moreover, from many projects, amplitudes, frequencies, and attenuation laws have been collected and analysed for the different sources such as vibratory or impact pile driving and ground compaction, demolition work with different machines, blasting in quarries and in tunnel works, bomb and mine clearing.
This work focuses on the design and fabrication of low-cost and fast-response of an electronic nose (E-nose) based on semiconductor gas sensors, for discriminating some synthetic gases such as ammonia (NH3), ethanol (C2H5OH), and hydrogen sulfide (H2S). Additionally, the capability of separating different concentration levels of each considered gases was checked. Dataset treatment of E-nose by using Principal Component Analysis (PCA) showed a good discrimination of the different synthetic gases. Furthermore, perfect classification was reached of different concentration levels of the analysed gases by using Discriminant Function Analysis (DFA). In the light of these results, it could be stated that the developed E-nose system constitutes an inexpensive, rapid, simple to use, and efficient tool for synthetic gases detection.
In non-destructive testing and structural health monitoring with ultrasonic waves, the quantification of damage in components is one of the main tasks. In many shell-like structures, such as plates, pipes, or laminate components, ultrasonic waves propagate as guided waves. Although guided waves enable the testing of large areas, their multimodal and dispersive properties make it challenging to analyze signals. So, there is a need for more advanced algorithms to handle these properties, especially when reconstructing damage position and geometry.
The reconstruction can be formulated as an inverse problem where the measured signals are fitted with a simulative forward model. Due to the small wavelength of ultrasonic waves, classic forward models based on, e.g., the Finite Element Method are computationally intensive. In contrast, the authors use the semi-analytical Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) to reduce the computational effort. The SBFEM approximates arbitrary long, undamaged parts of the structure with only a few degrees of freedom.
This contribution summarizes a general inverse procedure based on algorithmic differentiation in combination with the SBFEM. Results are presented for damaged 2D cross-sectional models of waveguides. These results include an analysis of the robustness of the proposed algorithms against noise.
An accurate and efficient description of the spatial distribution of laser energy is a crucial factor for the modeling of laser material processing, e.g., laser welding, laser cutting, or laser-based additive manufacturing. In this study, a 3D heat transfer and fluid flow model coupled with the volume-of-fluid algorithm for free surface tracking is developed for the simulation of molten pool dynamics in high-power laser beam welding. The underlying laser-material interactions, i.e., the multiple reflections and Fresnel absorption, are considered by a ray-tracing method. Two strategies of free surface reconstruction used in the ray-tracing method are investigated: a typical piecewise linear interface calculation (PLIC)-based method and a novel localized Level-Set method. The PLIC-based method is discrete, resulting in non-continuous free surface reconstruction. In the localized Level-Set method, a continuous free surface is reconstructed, and thus the exact reflection points can be determined. The calculated spatial laser energy distribution and the corresponding molten pool dynamics from the two methods are analyzed and compared. The obtained numerical results are evaluated with experimental measurements to assure the validity of the proposed model. It is found that distinct patterns of the beam multiple reflections are obtained with the different free surface reconstructions, which shows significant influence not only on the molten pool behaviors but also on the localized keyhole dynamics.
This study presents mechanisms of the evolution of a narrowed region in the weld pool center during deep penetration laser beam welding. In numerous numerical studies presented in this study, it was also found that the local reduction of the weld pool size can cause detrimental effects on the melt flow behavior and the resulting properties of the welds. A particularly large influence of this effect was identified in three aspects. Firstly, the local variation of the solidification sequence of the weld pool causes an increase in the hot-cracking susceptibility due to a locally delayed solidification. Secondly, it was proven that a change in the local length and width of the weld pool is associated with an adverse impact on the potential flow routes of the molten material that induces stronger local variations of its solidification. Thus, the element mixing, e.g. during the welding with filler materials, is blocked. This leads to a non-homogeneous chemical composition of the final weld and can cause undesired effects on the final material properties. Finally, another observed effect is related to the reduced ability of process pores to reach the top surface. As this type of porosity is usually produced around the keyhole tip, the change of the fluid flow regime above this area plays a significant role in determining the final path of the pores until the premature solidification in the middle of the weld pool captures them. This study summarizes mainly numerical results which were supported by selected experimental validation results.
The Global Exploration Strategy of the International Space Exploration Coordination Group (ISECG) describes a timeframe of 2020 and beyond with the ultimate aim to establish a human presence on Mars towards the 2040ies. The next steps lie on the Moon with a focus on the coming 10 years. Early lunar surface missions will establish a capability in support of lunar science and prepare and test mission operations for subsequent human exploration of Mars and long-duration human activities on the Moon.
Given the extreme costs involved in the shipping of material from Earth, a prerequisite for future human exploration is the manufacturing of elements directly on the Moon’s surface. Unlike the equipment, which at the beginning will have to be brought from Earth, raw materials and energy could be available following the concept of In-Situ Resource Utilization. The ESA OSIP PAVING THE ROAD (PAVER) study investigates the use of a laser to sinter regolith into paving elements for use as roadways and launch pads thus mitigating dust issues for transport and exploration vehicles.
The ESA-funded study examines the potential of using a laser (12 kW CO2 laser with spot beam up to 100 mm) for layer sintering of lunar and martian regolith powders to manufacture larger 3D elements and provide know-how for the automatic manufacture of paving elements in the lunar environment. The project contributes to the first step toward the establishment of a lunar base and will lead to the construction of equipment capable of paving areas and manufacturing 3D structures.
PAVER project sets the starting point for an examination of the larger context of lunar exploration. Mission scenarios will look at different phases of lunar exploration: Robotic Lunar Exploration, Survivability, Sustainability, and Operational Phase. A proposed Technology Roadmap investigates the mission scenario and analyses how, and to which extent, laser melting/sintering will play a role in the various phases of exploration. The paper contextualizes laser sintering within selected mission scenarios and discusses the different kinds of infrastructure that can be produced at each phase of the mission. The outcome of the study includes the detailing of the TRL steps in the project and an outline of a timeline for the different elements. Covered aspects include terrain modelling such as operation pads, roadways, or towers, non-pressurized building structures to protect machinery, and habitat envelopes, to protect and shield humans against dust, micrometeoroids, and radiation.
In many cases, science falls back on self-developed prototype systems, which are used and developed for the measurement and execution of the tasks. About 80 % of the development is based on the same hardware design, which is used in only one application scenario and then discarded. For the most part, there are also uncalibrated sensors, since it is costly to calibrate a complicated sensor measurement system or the entire measurement chain since access to the sensor systems is not always available. This paper describes a conceptual design to implement a versatile sensor system with the motivation to fuse the data recording and data reception, which can cover large areas with the help of LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) technology. To overcome disadvantages of LoRaWAN, namely the slow data rates, the proposed sensor system can also cover smaller areas with the widespread WiFi technology. An enormous advantage over individual complete systems in the form of a prototype, is the rapid expansion, uncomplicated calibration of the individual sensors and the ecological relief.
A modular design is used, where individual stacks with sensors and peripherals can be added separately. The stacks are standalone low-power systems and can be calibrated, maintained, and replaced separately and do not require the entire measurement chain. The measured and sent values are stored locally on the main stack and sent to the data collector (gateway) and evaluated by means of the automated selection between WiFi and LoRaWAN.
Ultrasonic Coda Wave interferometry has the potential to detect minute changes in scattering materials like concrete. By permanently installing ultrasonic transducers in concrete, DFG Research unit CoDA aims to develop methods for concrete damage assessment in Germany's aging infrastructure. To test the methods developed in simulations and laboratory experiments on a large scale, we have implemented several ultrasonic transducers at the Gänstorbrücke Ulm, one of Germany's most monitored road bridges. Since fall 2020 we are monitoring parts of the center of the Bridge, as well as an abutment, and compare the results to the commercial monitoring system. All data is recorded with a self-made data collection device, the so-called W-Box, and analyzed with different coda wave-based algorithms to detect signal and volumetric velocity changes. The long-term measurements show that the influence of temperature changes on strains and therefore ultrasound velocity changes calculated with coda waves can be monitored. The capabilities and limitations of the coda wave-based monitoring system are tested in a controlled experiment. Static loading using a truck with varying loads at several positions allows the calibration of the system to improve the detectability of possibly damaging loads and changes induced by this loading. A map of velocity change analyzing data from this load experiment shows that the influence of load on the material and strain distribution can be detected with array measurements.
Simulating a Gas Source Localization Algorithm with Gas Dispersion Produced by Recorded Outdoor Wind
(2023)
This paper reports the use of the first gas dispersion simulator capable of introducing large wind fluctuations into simulations. The proposed simulator enables testing of a modification made to a gas source localization algorithm in a realistic scenario in order to study how the change affects it. Gas source localization in an outdoor environment is a challenging task mainly due to the complexity of the gas spread caused by the unpredictable nature of constantly changing wind. Therefore, a novel use of outdoor wind in developing a gas source localization system by simulation is presented in this paper. To consider the characteristic of sudden but large and unpredictable changes in wind direction, we propose to use recorded outdoor wind to simulate a realistic outdoor gas dispersion which has been done for the first time to the best of our knowledge. With the use of this simulator, we have tested a modification to a mobile robot-based gas source localization algorithm. Multiple simulations of the modified and the original particle filter-based algorithm have been done to study the effect of the tested modification. The results showed that a small difference in the algorithm can greatly impact the results. From this study, we show that the use of simulation consisting of the necessary traits to evaluate outdoor gas source localization, has the potential to accelerate the development of a reliable localization system.
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.
Earth buildings and adobe construction have been in use for thousands of years. Loam is locally available, environmentally friendly and has a small CO2 footprint mainly resulting from extraction and transport. Because of these reasons loam is one of the building materials of the future.
Water resistance is an important aspect when using loam as a construction material. If the structural option of building protruding roofs cannot be implemented, the water resistance of clay can be improved by stabilization.
Positive properties of the material should not be diminished by stabilization. For example, the desired regulation of air humidity, which however cannot be fully preserved by cement stabilization.
For an alternative and more appropriate stabilisation, different mixtures with calcined clays with alkali activator were examined. The calcination temperature for clays is usually lower than for cement and starts at 600° C. The calcined clays therefore also have a lower CO2 footprint compared to cement. To keep the mixture environmentally friendly potassium was used as alkali ion. It could be proven that the alkali activated polymer enhances water resistance of the loam mixture. Provided some further optimization the material shows potential to replace cement without compromising on the positive properties of clay.
The low calcination temperature for clays (600° C) and a low CO2 footprint compared to cement make them an interesting material. To find a stabilization method for loam using calcined clays, activation by alkalis was necessary. Therefore (and to keep the mixture environmentally friendly) KOH was used as alkali activator. It could be proven that the alkali activated polymer enhances water resistance of the loam mixture.
Diese Arbeit zeigt erstmals die Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadsicherung beim einlagigen MSG-Schweißen von dickwandigen Stählen. Die innovativen Entwicklungen im Bereich des Lichtbogenschweißverfahrens ermöglichen eine Erhöhung der Abschmelzleistung, um die Einschweißtiefe zu steigern. Somit kann die Lagenanzahl reduziert und die Produktivität gesteigert werden. Allerdings besteht insbesondere beim einlagigen Schweißen von dickwandigen Bauteilen in PA-Position ein erhöhtes Risiko für das gravitationsbedingte Austropfen der Schmelze an der Wurzel. Zur Verhinderung werden Badsicherungen eingesetzt, die mechanisch angebracht und nach dem Schweißen entfernt werden müssen, was zeit- und kostenintensiv ist.
Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadsicherung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Sie wirkt kontaktlos, was im Gegensatz zu herkömmlichen Badsicherungen vorteilhaft ist, so dass auf eine zeit- und kostenintensive Nachbearbeitung der Schweißnahtwurzel verzichtet werden kann. Das auf extern angelegten oszillierenden Magnetfeldern beruhende Verfahren wird dabei unterhalb des zu schweißenden Bauteils positioniert. Die Magnetfeldlinien sind quer zur Schweißrichtung ausgerichtet, sodass längs zur Schweißrichtung Wirbelströme im Werkstück und eine stets nach oben gerichtete Lorentzkraft generiert werden. Mit Hilfe der elektromagnetischen Badsicherung konnten beim einlagigen MSG-Schweißen von bis zu 10 mm dicken Blechen die Tropfenbildung vermieden werden. Die innovative Technologie ermöglicht es, dickwandige Bauteile einlagig zu schweißen und reduziert die Nachbearbeitungszeiten und -kosten deutlich.
Die technischen Entwicklungen in der Lasertechnologie in den letzten Jahrzehnten haben eine neue Generation von Hochleistungslasersystemen im Leistungsbereich bis zu 100 kW auf den Markt gebracht. Dennoch ist die industrielle Anwendung des Hochleistungslaserstrahlschweißens auf bis zu 15 mm dicke Bleche beschränkt. Mögliche Ursachen der Einschränkungen des Verfahrens sind z.B. die Sensibilität des Verfahrens auf Fertigungstoleranzen wie Spalt und Kantenversatz, die erhöhte Tropfenbildung bei höheren Blechdicken und eine inhomogene Verteilung des Zusatzwerkstoffes beim Laserhybridschweißen. In dieser Studie wird ein auf extern angelegte Magnetfelder basierte elektromagnetische Schmelzbadstütze eingesetzt, um die Grenzen des Verfahrens zu erweitern und die Herausforderungen zu minimieren. Der wesentliche Vorteil der elektromagnetischen Schmelzbadstütze ist, dass sie berührungslos arbeitet. Mit Hilfe der elektromagnetischen Schmelzbadstütze konnten bei 20 mm dicken Proben aus S355J2 die Tropfenbildung an der Wurzel vermieden werden. Zudem wurde der Einfluss der Kantenqualität auf die Schweißnahtqualität untersucht, wobei verschiedene Schneidverfahren zur Kantenvorbereitung eingesetzt wurden, wie z.B. Plasma-, Brenn- oder Laserschneiden. Es konnte gezeigt werden, dass auch bei schlechteren Kantenvorbereitung im Gegensatz zu gefrästen Bauteilen die Werkstoffe einlagig mittels Laserhybridschweißen bei einer hohen Schweißnahtqualität gefügt werden konnten. Bei plasmageschnittenen Proben wurden zudem eine Spaltüberbrückbarkeit bzw. Kantenversatz von bis zu 2 mm sicher überbrückt. Des Weiteren war es mit Hilfe der externen Magnetfelder möglich, die Durchmischung des Zusatzwerkstoffes über die gesamte Schweißnahttiefe deutlich zu homogenisieren.
Attenuation of ultrasonic signals in concrete has the potential to carry much information about the microstructure of the material. In this work a series of concrete specimens of varying porosities and pore size distributions were internally imaged with x-ray computed tomography (CT), and then subsequently examined with throughtransmission ultrasound. The CT images were used to quantify both capillary porosity of cement paste as well as internal interfaces that are likely to produce elastic wave scattering. Ultrasound signals were represented as a diffusion process such that absorption and scattering attenuation could be isolated. As implemented, the diffusion model was a poor predictor of capillary porosity, while diffusivity was a reasonable predictor of scattering interfaces. Diffusivity was found to scale extremely well with small scale porosity, which made it a good predictor of compressive strength.
The retroreflective corner echo is used, for example, in ultrasonic non-destructive testing of metals to find fatigue cracks in tubes or shafts. If the much weaker crack tip signal is additionally detected, the crack length can also be determined. A corner reflection occurs in cases of surface breaking cracks with predominantly perpendicular orientation to the surface. The intensity of the corner reflection depends on the angle of incidence and on the ultrasonic wave mode used. For the reliable detection of vertical surface breaking cracks in metals, transversal waves are commonly used, which propagate at an angle of 37° to 53° to the inspection surface. As shown in this contribution, the wide spread low frequency ultrasonic arrays with dry point contact sources available for ultrasonic testing of concrete also allow to receive corner echoes. These devices generate transversal waves in concrete structures with a large divergence of the sound field. A series of experiments was carried out with such dry point contact arrays on concrete specimens with artificial test defects and controlled induced cracks of different depths. The ultrasonic time-of-flight signals were recorded, exported and reconstructed utilising the SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique) algorithm. The SAFT reconstruction parameters were adjusted to visualize the corner echo indication. As will be shown, with this targeted processing, the reproducible detection of surface breaking cracks in concrete is possible. The retroreflective corner echo can thus be exploited in civil engineering for non-destructive inspection of concrete.
Turning maneuvers of rail vehicles involve demanding situations for the infrastructure because of the steering forces generated and the resultant lateral load transfers. Such forcing situation involves increased tangential forces that consume kinetic energy from the vehicle. While much attention has been paid in the literature to the damage in such infrastructure segments, the energy that is dissipated in these maneuvers, has not been explicitly addressed. In this paper, a specialized scale-down infrastructure is used to characterize the effect of the initial speed of the vehicle and its mass, on the magnitude of both the rail forces developed and the amount of dissipated energy during turning maneuvers. The outputs of the experiments suggest that most of the original kinetic energy is dissipated at the first portion of the turn. Also, that the magnitude of the wheel forces and the amount of dissipated energy, correlate. That is, a greater rail damage would correspond to greater energy dissipation.
This contribution summarizes actual developments and draft fundamental teaching topics in the field of nondestructive testing in civil engineering (NDT-CE). It is based on the first memorandum on teaching and research in the field of NDT-CE at German speaking universities and provides an overview of the academic education and highlights possible focuses, especially in teaching but also takes into account noteworthy developments and topics in research in the field of NDT-CE.
Suggestions are given for the development and advancement of the teaching curricula in regards to a comprehensive and sound professional education of students in civil engineering and adjacent disciplines.