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Organisationseinheit der BAM
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (6)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (5)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (2)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (1)
- 1.9 Chemische und optische Sensorik (1)
- 7 Bauwerkssicherheit (1)
- 7.4 Baustofftechnologie (1)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 8.5 Röntgenbildgebung (1)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (1)
Eingeladener Vortrag
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Vor allem in den letzten Jahren ist das Interesse der Industrie an der additiven Fertigung deutlich gestiegen. Die Vorteile dieser Verfahren sind zahlreich und ermöglichen eine ressourcenschonende, kundenorientierte Fertigung von Bauteilen, welche zur stetigen Entwicklung neue Anwendungsbereiche und Werkstoffe führen. Aufgrund der steigenden Anwendungsfälle, nimmt auch der Wunsch nach Betriebssicherheit unabhängig von anschließenden kostenintensiven zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfverfahren zu. Zu diesem Zweck werden im Rahmen des von der BAM durchgeführten Themenfeldprojektes „Prozessmonitoring in Additive Manufacturing“ verschiedenste Verfahren auf ihre Tauglichkeit für den in-situ Einsatz bei der Prozessüberwachung in der additiven Fertigung untersucht. Hier werden drei dieser in-situ Verfahren, die Thermografie, die optische Emissionsspektroskopie und die Schallmissionsanalyse für den Einsatz beim Laser-Pulver-Auftragschweißen betrachtet.
Typically, the near-eutectic Al-Si alloys consist of highly interconnected three-dimensional network of the eutectic Silicon (Si) and intermetallics embedded into Aluminium (Al) matrix. For further improvement of the mechanical properties of such alloys, often, one single ceramic reinforcement phase, e.g. silicon carbide (SiC) or aluminium oxide (Al2O3) in the form of fibres or particles is added. However, hybrid reinforcements (fibres and particles) can further improve wear resistance and fracture toughness, and additionally, reduce anisotropy of the material. The engineering of metal matrix composites (MMC) for specific application requirements benefits from a comprehensive knowledge of the failure behaviour. Therefore, damage evolution under compression was investigated on:
- pure near-eutectic AlSi12CuMgNi matrix alloy
- type I: matrix reinforced with random-planar oriented Al2O3 short fibres (15 vol.%)
- type II: matrix reinforced with random-planar oriented Al2O3 short fibres (7 vol.%) and additional SiC particles (15 vol.%)
The analysis of damage mechanism was carried out in two rather independent but complementary studies. First, selected sister samples of every material were exposed to quasi-static compression (traverse control). The compression tests were interrupted at different strain levels. Miniature cylinders with a diameter of 1mm were extracted from the pre-strained samples and investigated by synchrotron computed tomography (SX-µCT) with a spatial resolution of about 0.7 µm. For the pure matrix alloy, microcracks are confined to the intermetallic particles and to the eutectic Si, hence no damage was observed in the Aluminium. The composite type II revealed a more effective strain accumulation (less damage) than type I at low plastic strain (up to 5 %), but a more catastrophic damage development due to cracking of the SiC clusters at higher strain levels.
The second approach to study the damage initiation and accumulation in the materials subjected to compressive load was Acoustic Emission (AE) analysis. In this case the in-situ monitoring of the acoustic emission signal was performed during compression tests on specimens with dimension of several mm. For all three material types, AE activity set at 2% strain. Differences in AE behaviour of the three materials was proven based on AE hitrate, signal peak amplitudes as well as weighted peak frequencies (WPF). Future work focuses on combination of AE and SX-µCT aiming for more detailed knowledge on damage mechanism of metal matrix composites.
The internal project "SealWasteSafe" of the Federal Institute for Materials Research and Testing is dedicated to the further improvement in the construction of sealing systems for underground repositories of radioactive waste. Particularly, a multi-sensory concept is developed to ensure quality assurance and continuous long-term monitoring on the engineered barriers. Therefore, beside other measures, the temperature and equilibrium moisture of the construction shall be monitored and respective multi-sensoric monitoring concepts are tested first on the laboratory scale. One focus in this project is on embedded application in alkali-activated mortars (AAM), which results in special requirements for the resistance of the sensors to strongly alkaline environments with up to pH 14. In addition, the ingress of water along cables or at sensor positions is critical for sensors embedded in concrete, as the cable access of the sensor housing is a major weak point. It is therefore advisable to equip wireless high frequent radio frequency identification-based sensors, so called HF RFID sensors (short: RFID), that do not require cable access and thus have a stable and leak-proof sensor housing for long-term monitoring. In this contribution, the results from temperature, moisture and transmitted power monitoring of a AAM and a M2 specimens by means of HF RFID sensor systems are presented.
Von den Zellulosefibrillen über die Zellwand und die Anordnung der Früh- und Spätholzzellen in einem Jahrring bis hin zum Balken von Natur aus ist Holz ein optimierter Hochleistungswerkstoff, der Handwerker, Architekten, Ingenieure und Wissenschaftler fasziniert und begeistert. Im digitalen Zeitalter werden neben Standard-Laborexperimenten zunehmend Modelle und Simulationen eingesetzt, um das Verhalten des Materials unter verschiedenen Belastungen besser zu verstehen und vorherzusagen. Dazu werden Zahlenwerte von Verformungen im subzellulären Maßstab benötigt, die nun in Experimenten an der TOMCAT-Beamline (TOmographic Microscopy and Coherent rAdiology ExperimenTs) der SLS (Swiss Light Source) gewonnen werden konnten: Holzproben aus Fichte ( Picea abies Karst.) mit einem Prüfquerschnitt von mindestens 1 mm² auf Zug oder Druck beansprucht. Die strukturellen Veränderungen auf Zellebene wurden mittels Computertomographie erfasst. Für die nachträgliche Analyse der 3D-Mikrostruktur von Holz wurde ein Ansatz entwickelt, der es ermöglicht, einzelne Zellen, die in mehreren Tomogrammen unterschiedlicher Belastungszustände erfasst wurden, zu verfolgen. Dabei wurden die Zellgeometrien und das subzelluläre Deformationsverhalten quantifiziert. Unter Zugbelastung beispielsweise verengt sich die Zellwanddicke um ca. 0,8%, das sind bei der gemessenen mittleren Zellwanddicke von 3,5 µm ca. 28 nm. Diese und andere Erkenntnisse liefern nun einen direkten numerischen Zusammenhang zwischen Verformungen der Holzmikrostruktur und dem daraus resultierenden makroskopischen Verhalten.
Von den Zellulosefibrillen über die Zellwand und die Anordnung der Früh- und Spätholzzellen in einem Jahrring bis hin zum Balken von Natur aus ist Holz ein optimierter Hochleistungswerkstoff, der Handwerker, Architekten, Ingenieure und Wissenschaftler fasziniert und begeistert. Im digitalen Zeitalter werden neben Standard-Laborexperimenten zunehmend Modelle und Simulationen eingesetzt, um das Verhalten des Materials unter verschiedenen Belastungen besser zu verstehen und vorherzusagen. Dazu werden Zahlenwerte von Verformungen im subzellulären Maßstab benötigt, die nun in Experimenten an der TOMCAT-Beamline (TOmographic Microscopy and Coherent rAdiology ExperimenTs) der SLS (Swiss Light Source) gewonnen werden konnten: Holzproben aus Fichte ( Picea abies Karst.) mit einem Prüfquerschnitt von mindestens 1 mm² auf Zug oder Druck beansprucht. Die strukturellen Veränderungen auf Zellebene wurden mittels Computertomographie erfasst. Für die nachträgliche Analyse der 3D-Mikrostruktur von Holz wurde ein Ansatz entwickelt, der es ermöglicht, einzelne Zellen, die in mehreren Tomogrammen unterschiedlicher Belastungszustände erfasst wurden, zu verfolgen. Dabei wurden die Zellgeometrien und das subzelluläre Deformationsverhalten quantifiziert. Unter Zugbelastung beispielsweise verengt sich die Zellwanddicke um ca. 0,8%, das sind bei der gemessenen mittleren Zellwanddicke von 3,5 µm ca. 28 nm. Diese und andere Erkenntnisse liefern nun einen direkten numerischen Zusammenhang zwischen Verformungen der Holzmikrostruktur und dem daraus resultierenden makroskopischen Verhalten.
Within the project SealWasteSafe, we advance construction materials and monitoring concepts of sealing structures applied for underground disposal of nuclear or toxic waste. As these engineered barriers have high demands concerning integrity, an innovative alkali-activated material (AAM) is improved and tested on various laboratory scales. This AAM has low reaction kinetics related to a preferential slow release of the heat of reaction in comparison to alternative salt concretes based on Portland cement or magnesium oxychloride cements. Hence, crack formation due to thermally induced strain is reduced. After successful laboratory scale analysis (Sturm et al., 2021), the AAM is characterised on a larger scale by manufacturing test specimens (100–300 L).
Conventional salt concrete (DBE, 2004) and the newly developed AAM are compared using two specimen geometries, i.e. cylindrical and cuboid. A comprehensive multisensor monitoring scheme is developed to compare the setting process of AAM and salt concrete for these manufactured specimens. The analysed parameters include temperature and humidity of the material, acoustic emissions, and strain variations. Passive sensor systems based on radiofrequency identification technology (RFID) embedded in the concrete, enable wireless access to temperature and humidity measurements and are compared to conventional cabled systems. Additionally, fibre-optic sensors (FOS) are embedded to record strain, but also have potential to record temperature and moisture conditions. Part of this project aims at demonstrating the high reliability of sensors and also their resistance to highly alkaline environments and to water intrusion along cables or at sensor locations. Further technical improvements were implemented so that first results clearly show the scalability of the setting process from previous small-scale AAM experiments and particularly the high potential of the newly developed approaches.
Furthermore, ultrasonic methods are used for quality assurance to detect obstacles, potential cracks and delamination. On the one hand, both active and passive ultrasonic measurements complement the results obtained from the multisensor monitoring scheme for the produced specimens. On the other hand, the unique large aperture ultrasonic system (LAUS) provides great depth penetration (up to nearly 10 m) and can thus be applied at in situ sealing structures built as a test site in Morsleben by the Federal Company for Radioactive Waste Disposal (Bundesgesellschaft für Endlagerung, BGE) as shown by Effner et al. (2021). An optimised field lay-out identified from forward modelling studies and advanced imaging techniques applied to the measured data will further improve the obtained results. To characterise the inside of the test engineered barrier and achieve a proof-of-concept, an ultrasonic borehole probe is developed to enable phased arrays that can further improve the detection of potential cracks. Modelling results and first analysis of semispherical specimens confirmed the reliability of the directional response caused by the phased arrays of the newly constructed ultrasonic borehole probe.
Overall, the project SealWasteSafe improves the construction material, multisensor monitoring concepts and ultrasonics for quality assurance. This will help to develop safe sealing structures for nuclear waste disposal. The outcomes are particularly valuable for salt as a host rock but partly also transferrable to alternative conditions.