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Organisationseinheit der BAM
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (67)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (67)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (9)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (8)
- 1.9 Chemische und optische Sensorik (7)
- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (4)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (4)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (2)
- 6 Materialchemie (2)
- 6.7 Materialsynthese und Design (2)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (2)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (2)
- 1.2 Biophotonik (1)
- 1.4 Prozessanalytik (1)
- 2.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 3.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 3.1 Sicherheit von Gefahrgutverpackungen und Batterien (1)
- 3.3 Sicherheit von Transportbehältern (1)
- 5 Werkstofftechnik (1)
- 5.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 9 Komponentensicherheit (1)
- 9.5 Tribologie und Verschleißschutz (1)
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Eingeladener Vortrag
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In Glasfasern eingeschriebene Bragg-Gitter (FBG: fibre-based Bragg gratings) sind über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge in der Lage, Stauchungen und Dehnungen von Glasfasern hochgenau zu erfassen. In Kompositwerkstoffe eingebettete faseroptische Sensoren können Bauteile bezüglich ihrer mechanischen Integrität überwachen und früh-zeitig Informationen über Materialveränderungen gewinnen.
Um die Zuverlässigkeit eines solchen Sensors zu gewährleisten, ist es wichtig, die korrekte Funktion des Sensors im Verbund mit der Werkstoff-Matrix on-line und in-situ sicherzu-stellen. Im Rahmen des DFG-Projekts FAMOS² (FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor) wurde ein selbstdiagnosefähiger Schichtsensor entwickelt, der mit Hilfe von magnetostriktiven Aktorschichten aus Nickel bzw. Eisen-Nickel validiert werden kann.
Der FAMOS²-Schichtsensor wird durch ein PVD (physical vapour deposition)/ECD (electro-chemical deposition) Hybridschichtsystem realisiert, das auf dem Fasermantel im Bereich des FBG haftfest, homogen und langzeitfunktional abzuscheiden ist. Dabei wird in einem ersten Schritt ein etwa 100 Nanometer dünnes PVD-Schichtsystem aus Chrom und Kupfer als Haftvermittler auf der Glasfaser bzw. als leitfähige Startschicht für den nachfolgenden ECD-Prozess abgeschieden. Um eine rotationssymmetrische Schich-tabscheidung zu gewährleisten, erfolgt während der PVD-Beschichtung eine Rotation der Glasfasern. In einem zweiten Schritt wird dann unter Verwendung eines klassischen Watts-Elektrolyten in einer speziell entwickelten ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebau-ten ECD-Durchströmungszelle dann die etwa 30 Mikrometer dicke, magnetostriktive Ak-torschicht auf dem PVD-Schichtsystem abgeschieden, im Vergleich sowohl reine Nickel-Schichten als auch Nickel-Eisen-Schichten.
Ein äußeres Magnetfeld dehnt die magnetostriktive Aktorschicht und damit auch die Faser reversibel. Diese Dehnung führt zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge, welche direkt mit der Stärke eines zu messenden oder zu Validierungszwecken vorgegebenen Magnetfeldes korreliert. Die Anpassung der Beschichtungsverfahren an die Fasergeome-trie und die mechanischen Eigenschaften der Hybridschichten werden hinsichtlich der me-chanischen Integrität des faseroptischen Sensors diskutiert und der Nachweis der Selbst-diagnosefähigkeit erbracht.
Flammschutz von polymeren Baustoffen: Bewertung von Konzepten auf der Basis von small- scale Cone Calorimeter Untersuchungen. In der Arbeit wurden zwei unterschiedliche Flammschutzkonzepte polymerer Baustoffe mit Hilfe des Cone Calorimeter untersucht und bewertet. Polymer-Schicht-Nanocomposites sind ein neues Konzept für flammgeschützte Werkstoffe, die aus einer Polymermatrix und der Zugabe eines nanoskaligen Schichtsilikat- Additivs von ca. 5 Gew.-% bestehen. Im Brandfall bilden die Schichtsilikate eine Barriere, die den Wärmetransport in das Material bzw. den Stofftransport der Pyrolysegase aus dem Material hemmt. Mit einem Modellsystem wurde gezeigt, dass dieser Barriereeffekt das Brandverhalten hinsichtlich der Flammenausbreitung verbessert, in anderen Brandszenarien aber wirkungslos bleibt. Die Ergebnisse der Cone Calorimeter Untersuchungen wurden mit denen der Entflammbarkeitstests UL 94 und LOI verglichen. Eine Korrelation in Richtung kleiner Probendimensionen (downscale) und in Richtung Phase der Brandentstehung wurde aufgezeigt. Die Anwendung intumeszierender Beschichtungen auf Bauteile verschiedener Art, wie z. B. tragende Stahlkonstruktionen, ist ein etabliertes Brandschutzkonzept. Das intumeszierende Polymermaterial schäumt unter Wärmeeinwirkung auf und bildet eine wärmeisolierende Schicht. Zur Bewertung der Wirkungsweise dieses Polymermaterials wurde ein auf Temperaturmessungen basierendes Verfahren mit dem Cone Calorimeter und für Simulationsrechnung entwickelt. Die Ergebnisse wurden mit denen aus Kleinprüfstanduntersuchungen verglichen. Eine Korrelation in Richtung großer Probendimensionen (upscale) und in Richtung der Phase des voll entwickelten Brandes konnte bis zu einer Temperaturgrenze gezeigt werden.
The influence of different organobentonites on the decomposition and the combustion behaviour of an epoxy resin were examined. The epoxy resin is a cationically polymerised cycloaliphatic epoxy resin flexibilised with poly(tetrahydrofuran) (PTHF), with hydroxyl endgroups. The bentonite was modified with either an ammonium or a phosphonium salt. The thermal decomposition of the PTHF induced by the initiator, used for the cationic polymerisation, did neither take place for the nanocomposite based on the ammonium bentonite nor for that based on the phosphonium bentonite. This improved decomposition characteristic lead to a larger time to ignition for both kinds of nanocomposites compared to the not modified polymer, which is not the case for other polymer/clay nanocomposites described in the literature. The fire behaviour was investigated using limiting oxygen index (LOI), a horizontal burner test and a cone calorimeter. The forced flaming conditions in the cone calorimeter were varied using different external heat fluxes between 30 and 70 kW · m-2. The fire behaviour of the nanocomposites was improved in comparison to the polymer, and phosphonium bentonite was superior to ammonium bentonite. The main mechanism is a barrier formation resulting in a reduction of the fire growth rate, which was more pronounced in the case of high external heat fluxes.
Polymeric nanocomposites are discussed as one of the most promising advanced materials whose nanoscale effects can be exploited for industry. Layered silicate polypropylene-graft-maleic anhydride nanocomposites are investigated as a model to clarify the potential of such materials in terms of fire retardancy. The nanostructure is characterized using transmission electron microscopy (TEM) and shear viscosity. The fire behavior is characterized using different external heat fluxes in cone calorimeter, limiting oxygen index and UL 94 classification. A comprehensive fire behavior characterization is presented which enables an assessment of the materials’ potential with respect to different fire scenarios and fire tests. The influence of morphology and the active mechanisms are discussed, such as barrier formation and changed melt viscosity. To our knowledge, it is the first attempt to illuminate the concept’s strengths, such as the reduction of flame spread, and weaknesses, such as the lack of influence on ignitability, in a clear, comprehensive and detailed manner.
Thermogravimetry (TG), thermogravimetry coupled with mass spectroscopy (TG-MS) and thermogravimetry coupled with Fourier transform infrared spectroscopy (TG-FTIR) were used to characterise the thermo-oxidative behaviour of two intumescent coating materials. The temperature dependence, the corresponding volatile products and the amount of residue of the different processes were determined. Using both TG-MS and TG-FTIR results in an unambiguous interpretation of the volatile products. Characteristics such as the influence of endothermic reactions, the release of non-flammable gases, the dehydrogenation enhancing the char formation and the stability of the cellular char were discussed in detail. It was demonstrated, that TG, TG-MS and TG-FTIR are powerful methods to investigate mechanisms in intumescent coatings and that they are suitable methods in respect to quality assurance and unambiguous identification of such materials.
Polymeric intumescent coatings are fire protective materials that increase their thermal resistance when exposed to high temperatures to prevent building structures from damage. The idea of the investigation was to develop a simple test method to determine the time dependent thermal conductivity of intumescent coatings. Therefore steel plates were coated with two different intumescent systems. During cone calorimeter tests the temperature at the back side of the coated plates was measured. These results were used to calculate the time dependent thermal resistance of the protective layer with the simulation program IOPT2D for different external heat fluxes and different layer thickness.
The cone calorimeter has become one of the most important and widely used instruments for the research and development of fire retarded polymeric materials. The paper addresses three important ways in which the principal setup influences the results factors which sometimes do not receive due consideration when drawing conclusions. The paper discusses in detail the impact on cone calorimeter results of the choice of external heat flux, the influence on the peak of heat release rate of sample thickness and thermal feedback from the back of the sample, and the influence on irradiance of the horizontal and vertical distances from the cone heater.
Barrier formation and increasing the melt viscosity are addressed as the two main general fire retardancy mechanisms of polymer nanocomposites. They result in specific impacts on fire properties that consequentially cause varying flame retardancy efficiency in different fire tests. The barrier formation retards mainly flame spread (peak of heat release rate) in developing fires, but does not reduce fire load (total heat evolved), ignitability or flammability (limiting oxygen index, UL 94). Furthermore, this flame retardancy effect increases with increasing irradiation and vanishes with decreasing irradiation. The increased melt viscosity prevents dripping, which is beneficial or disadvantageous depending on the fire test used. In some test, it become the dominant influence, transforming self-extinguishing samples into flammable materials or causing wicking. Advantages and the limits are sketched comprehensively for exploiting the main general fire retardancy mechanisms of polymer nanocomposites. It is concluded that barrier formation and changing the melt viscosity in nanocomposites are not sufficient for most applications, but must be accompanied by additional mechanisms in special systems or in combination with other flame retardants.
Eine Reihe von Prüfproblemen in der chemischen Industrie, in Kraftwerksanlagen und in Transportsystemen ist aufgrund schwieriger Zugangsmöglichkeiten nur begrenzt technisch bzw. wirtschaftlich effizient durchführbar. Das hier vorgestellte Projekt beinhaltet die Entwicklung eines Verfahrens der zerstörungsfreien Prüfung über weite Entfernungen (bis zu 100 m), das zum Einsatz in automatisierten Messsystemen bzw. zur Integration in Langzeitüberwachungssysteme geeignet ist. Grundlage des Verfahrens ist die gezielte Anregung und Auswertung von Lamb-Wellenmoden, wodurch eine effektive Unterscheidung von Fehler- und Formanzeigen sowie eine Klassifizierung unterschiedlicher Fehlertypen möglich werden.
Der Vorteil der Nutzung geführter Wellen für die zerstörungsfreie Prüfung liegt in ihrer vergleichsweise guten Ausbreitungsfähigkeit über weite Entfernungen. Die sich daraus ergebenden Möglichkeiten der Untersuchung großer bzw. schwer zugänglicher Bereiche einer Struktur bieten innovative Ansätze für die Entwicklung robuster Structural-Health-Monitoring-Systeme (SHM). Erst durch die Verfügbarkeit leistungsfähiger Rechentechnik wird ein breiter Einsatz derartiger Verfahren möglich. Die Technik kann zur Materialcharakterisierung an ebenen bzw. zylindrischen, dünnwandigen Flächen aus Metall oder auch CFK genutzt werden. Adressierte Anwendungsfelder sind z.B. die Untersuchung von Flugzeugtragflächen oder Pipelines. Des Weiteren wird der Einsatz solcher Verfahren zur Überwachung sicherheitsrelevanter Bauteile z.B. aus Laminaten angestrebt, wie sie verstärkt in der Luft- und Raumfahrt Anwendung finden. Im Rahmen des Projekts wurde auf Grundlage vorhandener Technik (Wellenanregung mittels Ultraschall-Gruppenstrahlprüfköpfen) ein umfassendes Verständnis für die Technologie und anwendungsrelevante Parameter (Probenmaterial und -dimensionen, Welleneigenschaften, Anregungs-, Transmissions-, Reflektionscharakteristika) gewonnen und Algorithmen zur Erkennung von Schädigungsbildern (z.B. Riss, Loch, Verdünnung) entwickelt.
Neben der Algorithmusentwicklung zur Detektion und Analyse von Schadstellen, lag ein Projektschwerpunkt in der Entwicklung einer geeigneten Gerätetechnik. Als sensorisches Elemente wurde Ultraschall-Gruppenstrahlertechnik eingesetzt. Besondere Anforderungen werden an die Technik zur Anregung der Wellenmoden unter Verwendung geeigneter Piezoaktoren gestellt. In diesem Bereich existiert bislang keine kommerziell erhältliche Gerätelösung, weshalb eine Neuentwicklug der Anregetechnik realisiert wurde. Speziell für die hohe Anzahl an Aktorkanälen, die benötigt wird, um unterschiedliche Moden und Wellenformen anzuregen, wurde eine äußerst leistungsfähige Anregeeinheit entwickelt.
Dehnungsmessstreifen (DMS) gehören zu den Standardsensoren beim Messen mechanischer Größen.
Sie finden Ihre Anwendung auf unterschiedlichen Gebieten, als sensorische Komponente in
Messaufnehmern (z.B. Wägezelle, Kraftaufnehmer) oder für Dehnungsmessungen im Bereich der
Strukturüberwachung unter anderem an Brücken oder Bauwerken. Sie werden in verschiedenen Größen
geliefert und mit entsprechenden Klebstoffen auf der Objektoberfläche des Messobjekts an der jeweiligen
Messstelle angebracht und an das Messsystem angeschlossen. Dieser Aufbau wird bei den
verschiedenen Anwendungen unterschiedlichen Temperaturen und Umwelteinflüssen ausgesetzt. Dabei
wird das System DMS/Klebstoff in seinen Eigenschaften verändert und das Ergebnis der
Dehnungsmessung beeinflusst. Beispielsweise kann es zu einer Verfälschung der Messergebnisse
kommen, wenn der Klebstoff die Dehnung des Messobjekts nicht vollständig auf den DMS überträgt, oder
es kann eine Nullpunktverschiebung der Dehnungsmessung auftreten.
An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung werden Fallversuche von Lager- und
Transportbehältern durchgeführt. Für diese werden Dehnungsmessstreifen auf den Behälter angebracht
um die Dehnung bzw. Verformung zu messen. Bei den Versuchen werden verschiedene Parameter
berücksichtigt: Neben unterschiedlichen Fallhöhen (u.a. 9 m und 1 m) wird auch der Temperatureinfluss
auf den Fallversuch z.B. bei -40 °C oder +100 °C untersucht. Zur Applizierung von DMS auf
Objektoberflächen gibt es für verschiedene Anwendungsbedingungen (DMS-Typ, Objektoberflächenbeschaffenheit,
Einsatztemperatur) von den DMS-Herstellern jeweils empfohlene Klebstoffe.
Insbesondere für Anwendungsfälle mit hochdynamischer Belastung (Fallversuche, Crash-Tests) und
großem Temperaturbereich ist es erforderlich, dass die Dehnungsmessstreifen zuverlässige Werte
ausgeben. Dies ist nur gegeben, wenn der Klebstoff eine gute Verbindung zwischen Messobjekt und
Dehnungsmessstreifen herstellt.
Sensor based person tracking is a challenging
topic. The main objective is positioning in areas without
GPS connection, i.e. indoors. A research project is carried
out at BAM, Federal Institute for Materials Research and
Testing, to develop and to validate a multi-sensor system for
3D localization. It combines body motion sensing and a
guard system for the tracking and recording of the status of
persons. The so named BodyGuard system was designed for
sensor-based monitoring and radio-based transmission of
the movement of a person. Algorithms were developed to
transform the sensor data into a spatial coordinate. This
paper describes how the BodyGuard system operates, which
main components were used in the system, how the
individual sensor data are converted into 3D motion data,
with which algorithms the individual sensors are processed,
how individual errors are compensated and how the sensor
data are merged into a 3D Model. Final objective of the
BodyGuard system is to determine the exact location of a
person in a building, e.g. during fire-fighting operations.
Gas source localization with a micro-drone using bio-inspired and particle filter-based algorithms
(2013)
Gas source localization (GSL) with mobile robots is a challenging task due to the unpredictable nature of gas dispersion, the limitations of the currents sensing technologies, and the mobility constraints of ground-based robots. This work proposes an integral solution for the GSL task, including source declaration. We present a novel pseudo-gradient-based plume tracking algorithm and a particle filter-based source declaration approach, and apply it on a gas-sensitive micro-drone. We compare the performance of the proposed system in simulations and real-world experiments against two commonly used tracking algorithms adapted for aerial exploration missions.
BAM Federal Institute for Materials Research and Testing, in cooperation with the company MeGaSen UG carries out a research project to enhance and validate an innovative approach for distributed subsurface monitoring of gas storage areas. The concept combines different measurement technologies to one multifunctional sensor: membrane-based gas measurement technology for in-situ monitoring of gases in soil and fiber optical sensing of temperature and strain (as a measure for structural change). Key aspect of the research project is the first-time validation of the system in an application relevant dimension. For this purpose a 20 x 20 m2 test field is build. A comprehensive validation of the system is carried out by systematic variation of different parameters like position-dependent gasinjection, temperature and mechanical impact.