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Bestimmung der Rissgeometrie bei der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung mit geführten Wellen
(2019)
In der zerstörungsfreien Prüfung werden in zunehmendem Maße geführte Ultraschallwellen zur Lokalisation von Fehlstellen genutzt. Geführte Ultraschallwellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie große Distanzen innerhalb des zu prüfenden Bauteiles zurücklegen können. Das Ultraschallwellenfeld setzt sich dabei aus verschieden Moden zusammen. Etablierte Prüfverfahren mit geführten Wellen ermitteln häufig nur die Position der Fehlstelle, wobei die Laufzeiten der reflektierten Signale ausgewertet wird. Modenumwandlung bleibt dabei zumeist unberücksichtigt.
Die Charakterisierung der Fehlstelle, zum Beispiel hinsichtlich der Länge eines Risses, ist dagegen herausfordernd. Aussagekräftige Zusammenhänge zwischen der Dimension oder Geometrie der Fehlstelle und ihrer Interaktion mit der Ultraschallwelle zu finden, ist Teil aktueller Forschung. Insbesondere eine Betrachtung der Moden höherer Ordnung und deren Amplitudenverhältnisse kann beim Aufspüren dieser Zusammenhänge hilfreich sein.
Im Beitrag werden zunächst die Zusammenhänge zwischen den beiden fundamentalen Moden in einer isotropen Platte und der Länge eines Risses untersucht. Aus den Ergebnissen wird ein inverses Verfahren motiviert. Ein Algorithmus wird vorgestellt, der die Risslänge im Modell solange variiert, bis er die modalen Zusammenhänge einer Vorgabe oder einer Messung rekonstruiert. Die eingesetzte Scaled Boundary Finite Element Method ermöglicht dabei eine sehr kurze Rechenzeit in jeden Optimierungsschritt. Zusätzlich ermöglicht die Methode eine Auswertung der modalen Zusammenhänge ohne Postprocessing, was die Rechenzeiten weiter verkürzt.
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.
New Focus On Boehmite-Reinforced Nanocomposites Molecular Approach With Advanced FTIR-Techniques
(2019)
By FTIR-study it was possible to proof a chemical reaction between boehmite and the hardener of anhydride cured epoxy resins. Future studies can assume that the chemical environment of the resin system is changed in the surrounding of boehmite nanoparticles. This highly affects especially localized properties.
Fibreoptic sensors (FOS) represent sensing technology with small footprint, low invasiveness, electromagnetic passivity and immunity, plus potential for remote and real-time monitoring. Modern FOS techniques allow truly temporally- and spatially-continuous monitoring over extended distances; a feature not attainable with any other sensing technology. Moreover, depending on their particular material composition and design, optical fibres can be made resistant to high temperatures, chemicals and ionizing radiation. Due to this unique combination of advantageous properties, ever since their emergence, FOS have been attracting considerable attention for monitoring tasks in harsh, hazardous and difficult-to-access locations. The potential of FOS has been recognized also in the field of radioactive waste management and fibreoptic sensors belong to the most promising technologies for nuclear waste repositories (NWR) monitoring.
Vast majority of distributed fibreoptic sensor applications rely on use of silica-based optical fibres as sensing elements. At the same time, distributed measurement of local temperature and strain along the fibre are the most common monitoring tasks addressed by fibreoptic sensors. Nevertheless, FOS offer much larger flexibility both in terms of utilized sensing fibre as well as targeted measurand. In this contribution, we will review some of more alternative implementations of FOS that are being explored at “Fibre Optic Sensors” division of Federal Institute for Material Research and Testing (BAM), in Berlin. The main focus will be twofold. On one side, we will address FOS applications with polymer optical fibres (POF), that may enable monitoring of large strains (>100%) and high-sensitivity radiation detection. On the other side, we will present our activities in the area of distributed acoustic sensing (DAS); one of the most recent developments in the fibreoptic sensing field enabling highly-dynamic vibration sensing with nanostrain sensitivity. We will introduce the principles of the addressed FOS technologies, present application examples from our case studies, discuss advantages and limitations of the techniques and highlight their potential for NWR monitoring.
Ultrashort laser pulse micromachining features a high precision. By increasing the repetition rate of the applied laser to several 100 kHz, laser processing becomes quick and cost-effective and make this method attractive for industrial applications. Upon exceeding a critical laser intensity, hard X-ray radiation is generated as a side effect. Even if the emitted X-ray dose per pulse is low, the accumulated X-ray dose becomes significant for high-repetition-rate laser systems so that radiation safety must be considered.
Der vorliegende Vortrag gibt einen Überblick über Probenpräparationen mit der Focused Ion Beam (FIB) für AFM-basierte Untersuchungsverfahren. Anhand zweier Beispiele wird gezeigt, wie ionenstrahlpolierte Lamellen aus Halbleiter-Schichtsystemen elektrisch leitfähig auf Substrate platziert werden, so dass in-situ und in-operando Messungen mit Scanning Microwave Microscope (SMM) bzw. Spectroscopic infrared scanning near-field optical microscope (IR-SNOM) durchgeführt werden können.
The closure of underground nuclear waste disposal facilities requires reliable gas- and water-tight engineered barriers. In Germany, barriers made from salt concrete have been evaluated in full scale. While the barriers seem to fulfill the requirements regarding permeability, some unexpected cracks have been detected at the surface and at depth. In cooperation between the Federal Company for Radioactive Waste Disposal (BGE) and the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), several experiments have been carried out to evaluate the applicability for ultrasonic measurements in crack detection and general quality assurance. Both commercial instruments and specially developed devices have been tested on site.
Using commercial ultrasonic echo devices designed for concrete inspection it was possible to detect cracks and objects in salt concrete up to a depth of 2 m. The check for delamination in shotcrete is another field of application. A unique device available at BAM, the wide aperture, deep penetration instrument LAUS, was able to locate cracks and objects up to a depth of 8 m so far, which is thought to be a record for ultrasonic echo measurements in concrete. Adapted imaging procedures, partly adopted from geophysics, helped to reveal 3D structure at depth.
In addition, we have developed ultrasonic probes to be deployed in boreholes, currently at up to 20 m depth. They can collect information on cracks and other features in a radius of about 1.5 m around the borehole in the current version and might be used in echo or transmission mode. Evaluation experiments have been performed at an experimental barrier at the ERAM site in Morsleben, Germany. The results showed several empty and injected cracks as well as built-in instrumentation. The results have been verified using borehole endoscopy as well as core examination and will be used to set up a reliable quality assurance system for engineered barriers. All instruments are based on ultrasonic shear wave transducers with a frequency range between 25 kHz and 100 kHz. Current research focuses on the improvement of the hardware (e. g. optimization of array characteristics) and imaging techniques such as Reverse Time Migration, both aiming at the improvement of depth of penetration, resolution and probability of detection.
Evolution of a friction material with braking sequence: properties related to the microstructure
(2019)
The microstructural complexity (multi-component and multi-scale) of friction materials, such as those used in braking applications,usually limits the characterization to the pristine state, even when they are to be submitted to high loading brake sequences. The understanding of properties ageing as a function of load history and microstructure is an important step to gain further knowledge on the tribological mechanisms occurring at the contact surface, as well as on the braking performances. To do so, the bulk mechanical and microscopical properties of a semi-metallic friction material are investigated before and after a braking sequence. Uniaxial compression tests combined with DIC are used to study the axial evolution of the mechanical behaviour (i.e., from the contact surface to the backplate). A significant mechanical evolution is observed in the after-braking material, which develops a layered behaviour along the depth. The layers (three) exhibit distinct mechanical/microstructural features that can be related to the braking thermal gradients and the occurrence of local damage.
The proposed BAM project SealWasteSafe will advance the state of the art for the construction and monitoring of safe sealing systems for underground repositories of radioactive or toxic waste. During this project, a novel salt concrete exhibiting neither significant cracking nor shrinkage will be optimized for use in the sealing systems. The composition of this material will be based on alkali-activated materials, which are characterized by particularly small thermal deformations during the hardening reaction. Quality assurance and continuous monitoring systems developed during this project will be demonstrated not only for high reliability, but also for resistance to highly alkaline environments and to water intrusion along cables or at sensor locations. A variety of sensors will be used in combination with wireless Radio Frequency Identification (RFID) technology to record moisture, temperature, and, if necessary, corrosion activity within the sealing system. Distributed Fibre Optic Sensor (FOS) technology will also be used for strain, temperature, and moisture content measurement. Ultrasound-based measuring methods will be utilized for the detection of cracks and delaminations. Additionally, digital image correlation and acoustic emission analysis will be used for deformation measurements and crack detection. A novel borehole probe and advanced ultrasound imaging techniques will be further developed to track cracks and delaminations within the host rock in 3D. The surface-based Large Aperture Ultrasound System (LAUS) will also be utilized to detect cracks and delaminations deep below the exterior surface of the sealing system. Although the focus of this project will be on the host rock salt, the resulting technologies will be intentionally developed in a way that facilitates their adaptation to other host rocks.
In this work, the structural integrity of LBM fabricated IN625 small cylinders (d = 1 mm, h = 6 mm) was investigated regarding the porosity and the surface roughness by means of computed tomography. The measurements were carried out on a GE v|tome|x L 300/180 with a reconstructed voxel size of 2 µm. The pores were analyzed for size, shape and spatial distribution. The correlation between compactness C and spatial distribution showed that elongated pores (C < 0.2) appear exclusively within a distance of 80 µm to the sample surface. The reconstructed surface was digitally meshed and unwrapped to evaluate the mean roughness Ra. Since the gravity correlates linearly with the sine of the build angle, the influence of gravity on porosity and surface roughness was determined.
Die Brücken im Netz der Bundesverkehrswege sind überwiegend in einem ausreichenden bis guten Zustand. Allerdings steigt der Unterhalts- und Sanierungsaufwand aufgrund des inzwischen hohen Alters vieler Brücken sowie des ständig wachsenden Schwerlastverkehrs. Techniken zur Einschätzung der verbleibenden Lebensdauer von Brücken sowie zur dauerhaften Beobachtung des Tragverhaltens bzw. des Erfolges von Sanierungsmaßnahmen werden daher für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb dringend benötigt. Zur Evaluierung dafür
geeigneter holistischer Ansätze wurde in der BAM das Projekt BLEIB - Bewertung, Lebensdauerprognose und Instandsetzung von Brückenbauwerken - ins Leben gerufen.
Ein zentrales Ergebnis des Projektes ist eine extern vorgespannte Stahlbetonbrücke als Zweifeldträger mit einer Gesamtlänge von 24 m, die für den Test verschiedenster Sensorsysteme, zur Validierung numerischer Modelle und zur Erprobung von Sanierungs- und Verstärkungsmaßnahmen entwickelt wurde. Für die Simulation unterschiedlicher Schädigungsgrade kann die Vorspannung der Brücke variiert werden. Die Brücke wird mit beweglichen Gewichten belastet und über einen Shaker zum Schwingen angeregt.
Das Brückenmodell wurde bewusst geschädigt, indem die Vorspannung der Struktur erstmalig schrittweise bis auf null reduziert wurde. Unter der Eigenlast verformte sich die Brücke, wodurch eine Rissbildung im Beton einsetzte. Die Zugspannung, die zuvor durch die Vorspannung aufgenommen wurde, übernahm Schritt für Schritt der Beton. Als die Zugspannungen die relativ geringe Zugfestigkeit des Betons überstiegen, begann dieser zu reißen und die schlaffe Bewehrung der Struktur nahm die Spannungen auf. Dieser Versuch wurde unter anderem von Schallemissionsmessungen begleitet. Der Rissbildungsprozess konnte damit, bei gleichzeitiger Aufzeichnung der Vorspannung, früh detektiert und die Risse geortet werden. Die Ergebnisse korrelieren gut mit den Ergebnissen der stereophotogrammetrischen Verformungsmessungen der Struktur.
Nanocomposites are extremely versatile due to their physicochemical properties, which differ significantly from bulk homopolymers. One of the inorganic nanomaterials which are increasingly used as a filler in polymer matrices is boehmite, typically used as an inexpensive flame retardant. Here, it is used as a nanofiller in polycarbonate and polyamide, expecting to improve their mechanical properties. For industrial use boehmite is obtained by the solvothermal method, resulting in a layered nanomaterial, whereas naturally it occurs as single crystals with the size of <100µm. In this work we are obtaining and isolating boehmite crystals by a bottom-up method, in which a reaction between aluminum nitride and sodium hydroxide. Obtaining boehmite as microcrystals is necessary for its analysis and characterization, as well as to investigate its interaction with polymer matrices at the polymer/particle interface. Here, the obtained particles in polymer matrices are characterized with differential scanning calorimetry and thermogravimetry analysis.
Nanocomposites are extremely versatile due to their physicochemical properties, which differ significantly from bulk homopolymers. One of the inorganic nanomaterials which are increasingly used as a filler in polymer matrices is boehmite, typically used as an inexpensive flame retardant. Here, it is used as a nanofiller in polycarbonate and polyamide, expecting to improve their mechanical properties. For industrial use boehmite is obtained by the solvothermal method, resulting in a layered nanomaterial, whereas naturally it occurs as single crystals with the size of <100µm. In this work we are obtaining and isolating boehmite crystals by a bottom-up method, in which a reaction between aluminum nitride and sodium hydroxide. Obtaining boehmite as microcrystals is necessary for its analysis and characterization, as well as to investigate its interaction with polymer matrices at the polymer/particle interface. Here, the obtained particles in polymer matrices are characterized with differential scanning calorimetry and thermogravimetry analysis.
In well-annealed thin polymer films, with non-repulsive polymer/substrate interactions, an irreversibly adsorbed layer is formed. These adsorbed layers have shown enormous potential for technological applications. The growth kinetics and molecular dynamics of these buried layers in thin films are still not fully investigated due to the hard accessibility. Here, the irreversibly adsorbed layers of homopolymer thin films are revealed by solvent-leaching experiments. The growth kinetics of these layers is investigated as a function of original film thickness and annealing times. The thickness, topography and quality of the adsorbed layer is determined with Atomic Force Microscopy (AFM) and spectroscopic ellipsometry. Additionally, the molecular mobility of the adsorbed layer is investigated with Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS). A recently developed nanostructured capacitor (NSC) is employed to measure the adsorbed layers with a free surface layer depending on annealing and solvent-leaching time. The results are quantitatively compared and discussed with respect to recently published work.
In well-annealed thin polymer films, with non-repulsive polymer/substrate interactions, an irreversibly adsorbed layer is formed. These adsorbed layers have shown enormous potential for technological applications. Due to the hard accessibility of these layers, their growth kinetics and molecular dynamics are still not fully understood. Here, the irreversibly adsorbed layers of Poly(2-vinylpyridine) (P2VP) and Poly(vinyl methyl ether) (PVME) thin films are revealed by solvent-leaching experiments. The growth kinetics of these layers is investigated as a function of original film thickness and annealing times. The thickness, topography and quality of the adsorbed layer is determined with Atomic Force Microscopy (AFM) and spectroscopic ellipsometry. Additionally, the molecular mobility of the adsorbed layer is investigated with Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS). A recently developed nanostructured capacitor (NSC) is employed to measure the adsorbed layers with a free surface layer depending on annealing and solvent-leaching time. The results are quantitatively compared and discussed with respect to recently published work.
KonSens (Kommunizierende Sensorsysteme für die Bauteil- und Umweltüberwachung) - Projektergebnisse
(2019)
Im Projekt KonSens werden für die Anwendungsbeispiele bauteilintegrierte Sensorik für Betonkomponenten und mobile Multigassensorik Sensorsysteme in Form von Funktionsmustern entwickelt, validiert und angewendet. Schwerpunkte liegen einerseits in der Detektion und Bewertung von Korrosionsprozessen in Beton und andererseits in der Detektion und Quantifizierung sehr geringer Konzentrationen toxischer Gase in der Luft. Dabei ist die Adaption der sensorischen Methoden aus dem Labor in reale Messumgebungen inklusive geeigneter Kommunikationstechnik ein wichtiger Aspekt.
Over the past decades research on the molecular dynamics of miscible polymer blends is of topical interest in the literature, to understand the segmental mobility of individual components, as it is affected by blending. In general, miscible polymer blends exhibit a complex dynamic behavior. For an A/B blend the relaxation times of component A and component B are affected by the spatial local compositional heterogeneity, present in binary systems on a microscopic level, regardless of the macroscopic homogeneity. Here, a combination of broadband dielectric and specific heat spectroscopy was employed to study the dynamically asymmetric PVME/PS blend with seven different compositions, focusing on samples with high PS contents. Considering that PS is dielectrically invisible, BDS is a powerful technique to study the response of PVME, as it is affected by PS segments. Here, three separate relaxation processes were found by dielectric investigations, related to confined or constrained PVME segments due to the spatial local compositional heterogeneities, which is in contrary to the previous literature findings [1]. Moreover, the dielectric data was compared with results obtained by specific heat spectroscopy, where a fourth relaxation process was found, due to the cooperative fluctuations of PVME and PS.
[1] Colmenero, J., Arbe, A. Soft Matter, 2007, 3, 1474.
For inorganic/polymer nanocomposites a so-called Rigid Amorphous Phase (RAF) is formed in the interfacial region by adsorption of polymer segments onto the nanoparticles. The segmental dynamics of RAF is expected to be altered, as compared to the pure matrix, which might percolate to the entire system, affecting the overall nanocomposite properties. A combination of two relaxation spectroscopy techniques (Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) and Temperature Modulated DSC (TMDSC)) as well as Fast Scanning Calorimetry (FSC) was employed to investigate the structure and molecular mobility of nanocomposites based on Epoxy and Layered Doubled Hydroxides with different nanoparticle content. First, BDS investigations proved the existence of a process, which is present only for nanocomposites, assigned to the dynamics of polymer segments within RAF. Second, the amount of RAF was quantified by analyzing the change of specific heat capacity step of nanocomposites, comparing to the pure material. Thirdly, the glass transition of nanocomposites was studied with FSC, applying high heating rates (0.5-10 kK/s). Considering that all techniques probe essentially the same molecular process, an activation plot was constructed, delivering a complete picture of the molecular mobility and structure of the polymer nanocomposites including RAF.
Die zeitaufgelöste THz-Spektroskopie (THz-TDS) operiert mit elektromagnetischen Impulsen, die ein Amplitudenspektrum im unteren THz-Bereich aufweisen. Die THz-TDS ist in der Lage, dielektrische Volumina zerstörungs- und kontaktfreie zu durchstrahlen. Um eine 3D-THz Bildung zu ermöglichen, wurde für die THz-TDS ein rechnergestütztes Mess- und Rekonstruktionsverfahren (THz-TD-SAFT) entwickelt, mit dem es gelingt, unter Verwendung der im Zeitbereich registrierten THz-TDS-Daten das Volumeninnere in Form eines dreidimensionalen Tomogramms zu rekonstruieren. Die THz-TD-SAFT basiert auf die für die Ultraschalltechnik entwickelte Synthetische Apertur Fokussierung (SAFT) bzw. des heuristisch begründeten Algorithmus des Synthetischen Apertur Radars (SAR). Anhand von Beispielen wird die Möglichkeiten der THz-TD-SAFT demonstriert und nachgewiesen, dass mit dem Rekonstruktionsansatz die künstlich eingebauten Fehlstellen bezüglich der Position und Größe geometrisch richtig im Tomogramm abgebildet werden können.
The Spectral Element Method (SEM) has been proven to be an efficient numerical method for solving the wave equation in linear elastic bodies. This efficiency is reduced if a stress singularity is present in the body. For example, re-entrant corners, material interfaces, fixed boundaries, and especially crack tips can cause stress singularities. To preserve the efficiency of the SEM, special solution strategies are required. There are many approaches which consider stress singularities, but comparisons are rare for dynamic problems. Finding an efficient model is an important step for many applications. In particular, applications for structural health monitoring and non-destructive evaluation rely on accurate and efficient crack models.
In this contribution, we present several models to capture singularities in combination with the SEM. The theory behind the models are shortly summarized and we show results for different benchmark problems in two dimensions. The first model deploys a new class of singular elements. For these singular elements, the crack tip approximation is computed based on the static Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM). The second model uses the continued‐fraction‐based SBFEM, while the third model uses an hp-refinement near the singularity. The models are compared among each other and evaluated in terms of their respective efficiency and accuracy.
Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) is nowadays an established multi-elemental analysis and mapping technique. It was shown that LA-ICP-MS can visualize the elemental distribution within tissue thin sections or cell samples. Quantification is possible by using appropriate matrix-matched calibration samples. Besides naturally occurring elements and metals from contrast agents, biomolecules using metal-tagged antibodies were detected in different bio-medical samples. By combining the results with findings from histology, magnetic resonance imaging (MRI) and other techniques disease related changes like alterations of the extracellular matrix can be investigated.
Therapeutische Antikörper sind innerhalb weniger Jahre zur wichtigsten pharmazeutischen Produktklasse aufgestiegen. Für 2023 werden weltweite Umsätze von über 200 Milliarden USD erwartet. Auch diagnostische Antikörper sind mittlerweile unverzichtbare Produkte, auf deren Basis zahllose Immunoassays und andere Schnelltests entwickelt wurden. Neben der bereits sehr aufwendigen Herstellung von Antikörpern ist deren Aufreinigung aus komplexen Zellkulturmedien oder Blutseren und -plasmen zu einem Engpass in der Produktion und Nutzung dieser komplexen Proteine geworden. Schnelle und einfache Reinigungsmethoden für Antikörper sind daher sehr gefragt.
The successful off-line coupling of asymmetrical flow field flow fractionation (AF4) and capillary electrophoresis (CE) for Separation of nanoparticles (NPs) with different surface coatings was shown.
Two mixtures of polystyrene nanoparticles (PS-NPs) with comparable core sizes (20 nm and 50 nm) but different coatings (no coating/carboxyl-coated) were studied. Separation in either method resulted in non-baseline resolved or non-separated peaks. In contrast, two-dimensional off-line coupling of AF4 and CE resulted in clearly separated regions in their 2 D plots and can obviouly improve separation resolution.
An affinity column, which removed up to 99 % of high affinity Anti-TNT antibody at high antibody concentrations, was manufactured based on a monolithic glass core and a trinitroaniline-BSA conjugate. To detect the label Dy654 in the nM range an epi-fluorescence microscope setup with a CMOS camera was established to serve as online fluorescence detector with multiplexing capabilities.
Screening of one-bead-one-peptide libraries is a powerful analytical tool for the identification of protein ligands. However, the traditional peptide screening procedure involves tedious steps such as manual selection, sequencing, and characterization. We present a high-throughput “all in one chip” system, allowing the screening of a high number of resin beads in short time. Here, beads of a combinatorial one-bead one compound peptide library are immobilized on an in-house produced chip, on which every bead has a well-defined position. The chip is then incubated with a fluorophore-labeled protein, identifying suitable peptides by a high-resolution fluorescence scan. The screening is followed by MALDI-MS experiments directly on the respective glass chip. To circumvent the need for peptide fragmentation normally used for peptide de novo sequencing, which can result in incomplete sequence information, an approach based on ladder sequencing has been used. This allows the peptide sequence identification by fragmentation-free MS with almost 100 % accuracy. For this purpose, a software tool was developed automatically translating MALDI-MS spectra into the corresponding peptide sequences.
Bestimmung der Rissgeometrie bei der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung mit geführten Wellen
(2019)
In der zerstörungsfreien Prüfung werden in zunehmendem Maße geführte Ultraschallwellen zur Lokalisation von Fehlstellen genutzt. Geführte Ultraschallwellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie große Distanzen innerhalb des zu prüfenden Bauteiles zurücklegen können. Das Ultraschallwellenfeld setzt sich dabei aus verschieden Moden zusammen. Etablierte Prüfverfahren mit geführten Wellen ermitteln häufig nur die Position der Fehlstelle, wobei die Laufzeiten der reflektierten Signale ausgewertet wird. Modenumwandlung bleibt dabei zumeist unberücksichtigt.
Die Charakterisierung der Fehlstelle, zum Beispiel hinsichtlich der Länge eines Risses, ist dagegen herausfordernd. Aussagekräftige Zusammenhänge zwischen der Dimension oder Geometrie der Fehlstelle und ihrer Interaktion mit der Ultraschallwelle zu finden, ist Teil aktueller Forschung. Insbesondere eine Betrachtung der Moden höherer Ordnung und deren Amplitudenverhältnisse kann beim Aufspüren dieser Zusammenhänge hilfreich sein.
Im Beitrag werden zunächst die Zusammenhänge zwischen den beiden fundamentalen Moden in einer isotropen Platte und der Länge eines Risses untersucht. Aus den Ergebnissen wird ein inverses Verfahren motiviert. Ein Algorithmus wird vorgestellt, der die Risslänge im Modell solange variiert, bis er die modalen Zusammenhänge einer Vorgabe oder einer Messung rekonstruiert. Die eingesetzte Scaled Boundary Finite Element Method ermöglicht dabei eine sehr kurze Rechenzeit in jeden Optimierungsschritt. Zusätzlich ermöglicht die Methode eine Auswertung der modalen Zusammenhänge ohne Postprocessing, was die Rechenzeiten weiter verkürzt.
We compare four different sensing solutions suitable for distributed fiber optic humidity sensing in per uorinated graded-index polymer optical fibers (PFGI-POFs). Compared to silica fbers, polymer optical fibers over advantageous beneffits including signifficantly higher break down strain, fracture toughness and humidity sensitivity. Various humidity-related effects in PFGI-POFs have been reported in the last years including measured attenuation and length changes as well as Brillouin frequency and Bragg wavelength shifts. The four aforementioned methods could serve as a basis for distributed and quasi-distributed humidity sensing and are described here closely with an emphasis on plausible cross effects to temperature and strain. The main focus of this paper lies on the comparison of four approaches with regard to method complexity, sensitivity to humidity, spatial resolution, real-time capability and effort to compensate for cross effects.
Microbiologically influenced corrosion (MIC) of iron is usually attributed to sulfate-reducing microorganisms (SRM) in offshore industries, such as the oil and gas pipelines, due to the high concentrations of sulfate in the seawater. SRM act upon the metal by the reactiveness of hydrogen sulfide (HS-), and by withdrawal of the available electrons (Fe --> Fe2+ + 2e-; E° = -0.47 V) in electrical contact with the metal (EMIC). However, methanogenic archaea can also cause MIC. Because they do not produce HS-, withdrawal of electrons may be their main corrosive mechanism; however, mechanistic details and kinetics of the overall process are poorly understood.
To investigate the corrosion potential of methanogens, we studied the EMIC methanogenic strains isolated from marine sediments (Methanobacterium-affiliated strain IM1) and crude oil tanks (Methanococcus maripaludis Mic1c10), in an in-house developed flow-through cell to simulate a fluctuating environment. A co-culture of M. maripaludis and D. alaskensis was also established to study the effect of syntrophic growth on metal corrosion that may occur in industrial pipelines. Results indicate that the rates of iron corrosion due to coupled methanogenesis (up to 0.4 mm/yr) are higher to that caused by the marine SRM Desulfovibrio alaskensis (0.15 mm/yr). Surface analyses of the metal showed severe pitting with high methane production. Genomic analysis of the EMIC methanogen M. maripaludis Mic1c10 will provide an insight on the mechanisms of MIC. Such knowledge and deeper understanding also from an electrokinetic point of view may not only provide further models in microbial electrophysiology, but also contribute to mitigation strategies in MIC.
Digital Analytical Sciences
(2019)
Based on inductive reasoning scientific inquiry in Analytical Sciences has a long tradition. The talk addresses in which way the digital transformation will change the scientific paradigm in Analytical Sciences to a data-driven discipline. Three main areas, integration, instruments, and methods, are discussed in their transformation through machine learning and other digital tools. Finally, some shortcomings and pitfalls in the deployments of algorithmic shortcuts are illustrated.
Durch eine breite Beteiligung von Schleifmittelherstellern, -anwendern und wissenschaftlichen Einrichtungen im projektbegleitenden Ausschuss (PA) konnte der vielschichtige Themenkomplex „Schleifen“ im Kontext zu den Projektzielen umfassend untersucht werden. Es wurden praxisrelevante Parameterfelder definiert, die eine erfolgreiche Aufklärung der Projektfragestellung ermöglichten.
Im Zuge der Untersuchungen wurde ein signifikanter Einfluss beim Einsatz von Granulatschleifbändern auf das Korrosionsverhalten geschliffener Oberflächen festgestellt. Damit zeigten geschliffene Oberflächen regelmäßig eine schlechtere Korrosionsbeständigkeit als Oberflächen, die mit sonst gleichen Parametern mit einlagig gestreuten Bändern bearbeitet wurden.
Die durch einige Untersuchungsergebnisse aus vorangegangenen AiF-Vorhaben ursprünglich verfolgte These, dass Unterschiede in der Korrosionsbeständigkeit auf die Kornart der Schleifmittel Korund bzw. SiC zurückzuführen ist, konnte nur bedingt bestätigt werden. Bei den systematischen Untersuchungen innerhalb dieses Projektes erwies sich der Einfluss der Kornart im Vergleich zum Einfluss des Schleifbandtyps (Granulat bzw. einlagig gestreutes Korn) als weniger relevant.
Durch weiterführende Untersuchungen konnten auf Oberflächen, die mit Granulatschleifbändern bearbeitet wurden, große Materialaufplattungen aus Eigenmaterial festgestellt werden. Das Eigenmaterial wird dabei im Schleifprozess zunächst abgetragen und aufgrund der Topografie des Schleifbandes zeitweise auf den Bändern festgehalten. Später lösen sich diese Materialanhäufungen vom Band ab und können prozessbedingt durch Wärme- und Krafteinwirkung auf den bearbeiteten Oberflächen aufgeplattet werden. Durch REM und KorroPad Untersuchungen ließen sich Bereiche mit solchen Eigenmaterialaufplattungen eindeutig als wesentliche Ausgangspunkte für Korrosionsprozesse identifizieren. Das aufgeplattete Material ist stark verformt, thermisch beeinflusst und bildet eine Spaltgeometrie zur Bauteiloberfläche aus. Diese Veränderungen führen zur Störung der Passivschichtausbildung in diesen Bereichen und verursachen damit eine erhöhte Korrosionsanfälligkeit der Oberflächen.
Durch gezielte Nachbearbeitungsprozesse ist es möglich, die Eigenmaterialaufplattungen von den Oberflächen zu entfernen. Im Rahmen des Vorhabens wurde dazu eine Nachbearbeitung mittels Schleifvlies geprüft, die zu einer Entfernung der Eigenmaterialaufplattungen und damit zu einer Wiederherstellung der erwarteten Korrosionsbeständigkeit führte. Wird der Endschliff von Oberflächen mit einlagig gestreutem Korn ausgeführt, sind ebenfalls keine korrosionsrelevanten Materialaufplattungen zu erwarten.
Die in einem vorhergehenden AiF Vorhaben IGF 17136 N/1 entwickelte Methode der KorroPad-Prüfung konnte auch hier erfolgreich für die Untersuchung der Auswirkung unterschiedlicher Prozessparameter auf die Korrosionsbeständigkeit der Oberflächen eingesetzt werden. Zudem erwies sich das EPR-SL-Verfahren als ein weiterer Ansatz, um die Passivschichtstabilität verschieden geschliffener Oberflächen vergleichend untersuchen zu können.
Mit den nun vorliegenden Erkenntnissen können kmU künftig durch Anpassungen und Optimierung von Schleifprozessen eine gute Korrosionsbeständigkeit der bearbeiteten Oberflächen sicherstellen. Die Optimierung der Prozessparameter und -schritte kann durch den Einsatz der KorroPad-Prüfung Inhouse erfolgen und somit die laufende Fertigung im Rahmen der Qualitätsprüfung überwacht und dokumentiert werden.
Heute werden in Stahlkonstruktionen zunehmend hochfeste Baustähle (Streckgrenze ≥ 960 MPa) eingesetzt. Daher sind auch in Schweißnähten solche hohen Festigkeiten gefordert. Jedoch können hohe Eigenspannungen aufgrund geringerer plastischer Dehnungsreserven in diesen Schweißnähten die Sicherheit der Bauteile vermindern. Diese sind insbesondere im Zusammenhang mit Wasserstoff und Härtegefügen risskritisch. Niedrige Bauteilbeanspruchungen und Kosteneinsparungen lassen sich heutzutage mit modernen fokussierten Lichtbogenvarianten und engeren Nahtspalten erreichen. Die vorliegende Studie zeigt allerdings, dass diese modernen Schweißprozesse und die angepasste Nahtgeometrie höhere Wasserstoffkonzentrationen und signifikant gesteigerte oberflächennahe Zugeigenspannungsniveaus bedingen. Anhand mehrlagiger Schweißversuche an S960QL unter Variation von Wärmeführung, Lichtbogenvariante und Nahtöffnungswinkel wurden die Effekte und Wechselwirkungen unter Zuhilfenahme von Eigenspannungsanalytik mittels Röntgendiffraktometrie und Wasserstoffanalytik mittels Trägergasheißextraktion systematisch untersucht. Das Schweißgefüge führte unter kritischer mechanischer Beanspruchung und erhöhtem Gehalt an diffusiblem Wasserstoff insbesondere bei geringem Nahtöffnungswinkel und fokussiertem Lichtbogen zu einer deutlichen Ausbildung von Mikrorissen. Die Mikrorisse führten teils zu einer makroskopischen Ausprägung. Durch Analysen zur Nachwärmung aus der Schweißwärme heraus konnten suffiziente Wärmeführungsparameter für eine effektive Prävention solcher Risse erarbeitet werden. Die vorliegende Arbeit zeigt anhand des Interaktionssystems bei der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung Gefüge-Beanspruchung-Wasserstoff, welche Wärmeführungs- und Schweißparameter sich für die hochfesten Feinkornbaustähle zur Kaltrissvermeidung eignen.
Permitted explosives have a tradition of many decades in Germany and had been designed to the needs of the underground coal mining in the Ruhr. In neighboring countries of Germany similar provisions were made to prevent hazards from fire damp and coal dust explosions in underground coal mines. Due to the termination of coal mining in Germany and most other European countries, also the testing facilities are disappearing. This presentation outlines the current situation of testing regimes and facilities.
Der Vortrag berichtet über die Auslagerung von Standardproben nach DIN EN ISO 9223 bis 9226 aus Zink, Stahl, Kupfer und Aluminium auf den verschiedenen atmosphärischen Bewitterungsständen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Im Vortrag werden die Masseverluste, Korrosionsgeschwindigkeiten und Korrosivitätskategorien der Standardproben im freibewitterten und überdachten Bereich nach einem Jahr vorgestellt und Unterschiede hinsichtlich der Atmosphärenbedingungen aufgezeigt. Freibewitterte Proben zeigen dabei deutliche Unterschiede hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens im Vergleich zu überdachten Proben. Die ermittelten Korrosivitätskategorien sind sowohl standort- als auch materialspezifisch.
During a European convention of the authorities for market surveillance (AdCO) for explosives the activities of the notified bodies are presented, putting a focus on matters concerning market surveillance.
The presentation outlined in detail, which verifications are possible
with explosives, while practical tests involving initiation of
explosives are excluded. Elements of labeling and the conclusions in
view of quality control were explained, and typical failures by
manufacturers to comply were orally described.
Modular plants using intensified continuous processes represent an appealing concept to produce pharmaceuticals. It can improve quality, safety, sustainability, and profitability compared to batch processes, and it enables plug-and-produce reconfiguration for fast product changes. To facilitate this flexibility by real-time quality control, we developed a solution that can be adapted quickly to new processes and includes a compact Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectrometer for online quality monitoring as well as a new model-based control approach. The NMR sensor is a benchtop device enhanced to the requirements of automated chemical production including ro-bust evaluation of sensor data.
Here, we present alternatives for the quantitative determination of the analytes using modular, physically motivated models. These models can be adapted to new substances solely by the use of their corresponding pure component spectra, which can either be derived from experimental spectra as well as from quantum mechanical models or NMR predictors. Modular means that spec-tral models can simply be exchanged together with alternate reagents and products. Beyond that, we comprehensively calibrated an NIR spectrometer based on online NMR process data for the first time within an industrial plant. The integrated solution was developed for a metal organic reac-tion running on a commercial-scale modular pilot plant and it was tested under industrial conditions.
In the past, δ26/24Mg measurements were referenced to NIST SRM 980, the initial zero of the δ26/24Mg scale. With the development of MC-ICPMS, the detection of small but measurable isotopic differences in different chips of SRM 980 became apparent. To solve this problem a suite of magnesium isotope reference materials, ERM-AE143, -AE144 and -AE145, has been certified in a first study by applying an ab initio calibration for absolute Mg isotope ratios without any a priori assumptions, a procedure which fulfils all requirements of a primary method of measurement. We could achieve for the first time measurement uncertainties for isotope amount ratios close to the typical precision of magnesium delta values, δ26/24Mg, which are at the 0.1 ‰ level (2SD). In addition, it was demonstrated that commonly used fractionation laws are invalid for correcting Mg isotope ratios in multi-collector ICPMS as they result in a bias which is not covered by its associated uncertainty. Depending on their type, fractionation laws create a bias up to several per mil, with the exponential law showing the smallest bias between 0.1 ‰ to 0.7 ‰.
With these isotope reference materials, it is possible to establish SI-traceability for magnesium delta measurements. To realize this, we organized a second study within which five expert laboratories participated to cross-calibrate all available magnesium isotope standards, which are NIST SRM 980, IRMM-009, ERM-AE143, ERM-AE144, ERM-AE145 and the standards DSM3 and Cambridge-1. The mean δ26/24Mg values for the individual iRMs, calculated from the laboratory means show 2 SD reproducibilities varying between 0.025 and 0.093 ‰. Propagated measurement uncertainties suggest a standard uncertainty of about 0.1‰ for δ26/24Mg determinations (2SD). Thus, SI traceability for magnesium isotope amount ratios and delta values is demonstrated to be established.
The reassessment of bridges is becoming increasingly important. The basic requirement for analyses of structural safety is reliable knowledge about individual structures. This paper introduces the new approach to evaluate the quality of measured data gained from non-destructive testing (NDT) to provide reliable, objective, and relevant information about existing bridges. The purpose is to relate this validated knowledge to probabilistic analyses. Bridging the gap between NDT and numerical reassessments indicates reduced numerical uncertainties and residual service time extensions. This paper deals with an application of this approach using measurement data collected by ultrasonic technique at a prestressed concrete bridge.
Si isotope fractionation during BIF formation – inferences from a modern Archean ocean analogue
(2019)
Silica-rich sedimentary rocks like cherts and BIFS, typical for the Archean, have been used to reconstruct temperatures and other properties of the early oceans through the study of their Si isotope variations. Precambrian cherts and BIFS span a δ30Si range of ~7‰, with BIFs being about 2‰ lower in δ30Si than cherts. These lower δ30Si signatures have been attributed to represent contributions from different input sources such as hydrothermal fluids, variable continental weathering regimes or sorption onto Fe oxides/hydroxides [e.g. 2 and references therein]. In this study, fluids and BIF-like sediments have been investigated for their Si isotope compositions in Paulina Lake (PL), a hydrothermally-influenced crater lake in the Newberry Caldera, Oregon, USA. PL lake sediments are rich in silica (~65wt% SiO2) and are composed of up to 22.5wt% Fe2O3, which is comparable to Archean BIFs and thus serve as a modern Archean ocean analogue. We compared our analyses with East Lake (EL), the twin Newberry crater lake without hydrothermal input. Dissolved Si in EL has an average δ30Si signature of +1.55±0.16‰ (1sd) and sediments an average δ30Si signature of +0.18±0.28‰ (1sd). Dissolved Si in PL has an average δ30Si signature of +2.02±0.15‰ (1sd), whereas the sediments show a large range in δ30Si values between +0.59‰ and -1.24‰. PL sediments show a trend towards more negative δ30Si with increasing Fe2O3 contents. The magnitude of Si isotope fractionation thus appears to depend on the presence of Fe. This fractionation induced by interaction with Fe precipitation is defined here as the offset in δ30Si between PL and EL sediments at comparable depths (Δ30SiPL-EL). The resulting Δ30SiPL-EL values range between +0.69 and -1.42‰ and increase with increasing Fe2O3 content in the sediments. Our results are the first to quantify the magnitude of Fe-induced δ30Si fractionation observed in a natural analogue of the Archean ocean and can explain the lighter δ30Si signatures found in BIFs.
Time-resolved flow cytometry
(2019)
The fast identification of a large number of analytes or events is increasingly required in bioanalytical, diagnostic, and security applications. The versatility and straightforward use make multiparametric fluorescence techniques particularly interesting as detection techniques. An established method for high-throughput single-cell and single-particle measurements is flow cytometry (FCM). Using only spectral encoding without further intensity information, state-of-the-art instruments equipped with several light sources and detectors can resolve almost 20 different color codes. However, this is not sufficient to answer complex research questions, e.g. in cell biology and immunology. In contrast, routine applications demand low-cost and sometimes even portable instruments and thus a minimum number of instrument components. Thus, there are currently two main research directions in FCM: the development of methods that can either address increasingly complex analytical challenges or provide low-cost and robust approaches for routine multiplex analyses. Common spectral multiplexing approaches face limitations in both directions. On the one hand, spectral overlap of labels restricts the number of codes and makes elaborate correction schemes necessary. On the other hand, even for lower degrees of multiplexing often a sophisticated optical setup is needed. An alternative to spectral multiplexing and intensity encoding is to exploit the luminescence lifetime (LT) as an encoding parameter. This can allow for extending the parameter space in combination with spectral encoding or result in more simple and compact devices due to fewer optical components. The availability of fast electronics enables miniaturized and portable lifetime measurement setups at relatively low cost. LT-FCM requires to master LT determination with a limited number of detected photons due to the short interaction time of the encoded objects with the laser spot. In this study, we address this issue for time-domain cytometry and present a novel lifetime flow cytometry (LT-FCM) platform based on a compact setup and straightforward time-domain measurements utilizing LT-encoded luminescent beads. Moreover, we present the realization of a first bioanalytical assay with LT-encoded beads.
Ein Endlager für radioaktive Abfälle muss auf Dauer vor dem Eindringen von Wasser geschützt werden. Aus diesem Grund errichtete die Bundesgesellschaft für Endlagerung (BGE) ein Verschlussbauwerk als InSitu Versuch im Endlager Morsleben. Hierfür wurde eine bergmännische Auffahrung mit Salzbeton verfüllt.
Zusätzliche in regelmäßigen Abständen eingebaute Trennbleche sollen der Ausbreitung eventueller Risse entgegenwirken.
Das Versuchsobjekt wurde mit Ultraschallmessungen bezüglich der Lage und Orientierung möglicher Risse untersucht. Diese Messungen wurden an der Stirnfläche des Salzbetonkörpers durchgeführt. Für die Datenakquisition fand ein neuartiges Messsystem Anwendung, mit welchem ein seismisches Akquisitionsschema realisiert werden kann. Dieses setzt sich aus mehreren Prüfköpfen zusammen, welche sowohl als Sender als auch als Empfänger fungieren. Somit lassen sich auch größere Sender-Empfänger-Abstände realisieren.
Vor der Bearbeitung der realen Messdaten wurde ein realitätsnahes synthetisches Modell erstellt, mit welchem die Abbildung eines Risses, eines eingebauten Monitoring-Instruments sowie des ersten Trennbleches in einer Tiefe von 8 m untersucht wurden. Die generierten synthetischen Daten wurden nach minimaler Preprozessierung mittels Kirchhoff-Prestack-Tiefenmigration sowie Reverse Time Migration (RTM) in Tiefensektionen umgewandelt. Insbesondere bei der Abbildung steilstehender Reflektoren lieferte die RTM hier ein besseres Ergebnis.
Im Anschluss wurden reale Messdaten in der gleichen Weise bearbeitet. Zusätzlich wurden die Ergebnisse mit denen der Synthetic-Aperture-Focusing-Technique (SAFT) verglichen. Dieses Verfahren ist der Kirchhoff-Migration sehr ähnlich und findet in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung routinemäßig Anwendung. Es stellte sich heraus, dass der RTM Algorithmus in einigen Fällen ein realitätsnäheres Abbild liefert. Die Resultate von Kirchhoff-Migrationund SAFT-Rekonstruktion sind hingegen sehr ähnlich. Alle Verfahren lokalisierten in gleicher Weise Risse in verschiedenen Tiefenlagen, welche hauptsächlich oberflächenparallel orientiert sind. Diese werden auch von Bohrungen bestätigt. Besonders herauszustellen ist die deutliche Abbildung des Trennbleches in großer Tiefe, was bisher noch nicht eindeutig gelungen war.
Kontinuierliche Sensorbasierte Bauwerksmessungen leisten einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit von Verkehrsbauwerken. Hierzu werden im Vorhaben AISTEC Referenzbauwerke und Referenzverfahren untersucht mit Schwerpunkt auf den Einfluss klimatischer Bedingungen. Der Vortrag stellt den aktuellen Projektstand des FB 7.2 vor.
Mechanochemistry paves the way to simple, fast, and green syntheses. Despite considerable effort, there remains a lack in understanding of the underlying mechanisms. In situ investigations help to understand these mechanisms, which occur during a mechanochemical reaction. Here we present a universal strategy for simultaneous real-time in situ analysis, combining X-ray diffraction, Raman spectroscopy, and thermography. The potential of our approach is shown for different model reactions.
While today, engineers can choose from a wide range of rheology modifying admixtures, in some parts of the world, these are difficult to access, due to their complex processing. However, alternatives can be bio-based polymers such as polysaccharides from various sources. These are easily accessible all over the world, do not demand for complicated processing, and typically they are more sustainable than many established materials, which are crude oil-based.
The paper presents the effects of acacia gum, cassava starch and the gum of triumfetta pendrata A. Rich on the rheological performance of cementitious systems. It is shown that acacia gum can be as efficient as polycarboxylate based superplasticisers, cassava starch can reduce the yield stress slightly with little effect on the plastic viscosity, and the gum of triumfetta pendrata A. Rich increases the thixotropy of cement pastes with plasticizing polymers significantly.