5 Werkstofftechnik
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Die HÜTTE ist ein Kompendium und Nachschlagewerk für unterschiedliche Aufgabenstellungen. Durch Kombination der Einzeldisziplinen dieses Wissenskreises kann das multidisziplinäre Grundwissen für die verschiedenen Technikbereiche und Ingenieuraufgaben zusammengestellt werden.
Die HÜTTE enthält in drei Bänden - orientiert am Stand von Wissenschaft und Technik und den Lehrplänen der Technischen Universitäten und Hochschulen - die Grundlagen des Ingenieurwissens.
Band 3 enthält die Elektro- und informationstechnische Grundlagen.
Die Nutzung von Sensortechnologien, insbesondere im Bereich der Gasdetektion mit einem Schwerpunkt auf Wasserstoff, spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungsbereichen der Wasserstofftechnologie. Sicherheitsüberwachung, Leckdetektion und Prozesskontrolle gehören zu den prominenten Anwendungsgebieten dieser Sensortechnologien. Ein zentrales Ziel ist die Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die genaue Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhältnisses mithilfe von Gassensoren. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um potenzielle Gefahren frühzeitig zu erkennen und angemessene Maßnahmen zu ergreifen.
Ein weiterer Schwerpunkt dieses Beitrags liegt auf der Analytik und der Verwendung zertifizierter Referenzmaterialien in Verbindung mit Metrologie für die Wasserstoffspeicherung. Dies gewährleistet eine präzise und zuverlässige Charakterisierung von Wasserstoff und unterstützt die Entwicklung sicherer Speichertechnologien. Im Rahmen des Euramet-Vorhabens Metrology for Advanced Hydrogen Storage Solutions (MefHySto) wird eine Kurzvorstellung präsentiert.
Der Vortrag stellt zwei zerstörungsfreie Prüfverfahren zum strukturellen Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring, SHM) für Wasserstofftechnologien vor. Insbesondere die Fehlstellenerkennung mittels geführter Ultraschallwellen spielt eine bedeutende Rolle bei der Lebensdauerüberwachung von Wasserstoffspeichern. Ein weiterer Aspekt ist die Anwendung faseroptischer Sensorik zur Schadensfrüherkennung von Wasserstoffspeichern. Diese zerstörungsfreien Prüfverfahren ermöglichen eine präzise und frühzeitige Identifizierung von Schäden, was die Sicherheit und Effizienz von Wasserstoffspeichersystemen entscheidend verbessert.
Der Beitrag behandelt verschiedene Themen aus dem H2Safety@BAM-Kompetenzfeld Sensorik, Analytik und zertifizierte Referenzmaterialien (SensRef) mit Schwerpunkt auf Mess- und Prüfverfahren, die verschiedene Analyseverfahren, Sensortechnologien und Ultraschallwellen nutzen. Ein Teil davon ist das Euramet-Vorhaben "MefHySto" zur Metrologie der Wasserstoffspeicherung. Des Weiteren werden Verfahren zur Erkennung von freigesetztem Wasserstoff und zur Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhältnisses mithilfe von Gassensoren behandelt. Ein weiterer Aspekt ist die zerstörungsfreie Fehlstellenerkennung mit einem integrierten Zustandsüberwachungssystem, das auf geführten Ultraschallwellen basiert und zur Überwachung der Lebensdauer von Composite-Behältern (Wasserstoffspeicher) dient. Zudem wird die Anwendung faseroptischer Sensorik zur Schadenfrüherkennung an Wasserstoffspeichern diskutiert. Dabei werden erkennbare Dehnungsänderungen an Druckbehältern als Indikatoren genutzt.
Die Steigerung der Leistung und des thermodynamischen Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren führt zu erhöhten Anforderungen an die Festigkeit abgasführender Komponenten wie z. Bsp. Abgasturbolader. Als Folge erhöhter thermomechanischer Wechselbeanspruchungen (TMF) im Betrieb kommt es an den mechanisch und/oder thermisch höchst beanspruchten Stellen der Bauteile zur Bildung von Rissen, wodurch die Lebensdauer der Komponenten begrenzt wird. Derzeit werden bei Turboladern heißgehende Bauteile mit detektierten Rissen zumeist prophylaktisch ersetzt, da die weitere Ausbreitung der Risse während des Betriebs nicht vorhergesagt werden kann. Um diese aufwändige und un- ökonomische Praxis zu vermeiden, wurde im vorliegenden Forschungsvorhaben eine rechnerische Bewertungsmethode auf Basis der experimentellen und numerischen Bruchmechanik erarbeitet, mit deren Hilfe bereits in der Auslegungsphase oder während des Betriebs die (restliche) Lebensdauer der abgasführenden Komponenten vorhergesagt werden kann. Damit wird erstmalig die quantitative Vorhersage der Rissentwicklung bei TMF-Beanspruchungsbedingungen unter Berücksichtigung großer zyklischer viskoplastischer Verformungen ermöglicht.
Zentrales Ergebnis des Vorhabens ist eine automatisierte Berechnungsprozedur auf der Basis spezieller Finite-Elemente-Techniken (FEM), womit sowohl der Pfad als auch die Größe eines Risses als Funktion der Anzahl der Lastwechsel in Bauteilen unter TMF-Bedingungen berechnet werden kann. Als geeigneter Beanspruchungsparameter zur Bewertung des Rissfortschritts unter TMF wurde die zyklische Rissöffnungsverschiebung ΔCTOD verwendet. Das Werkstoffverhalten des betrachteten austenitischen Gusseisens Ni-Resist D-5S wurde mit einem validierten viskoplastischen, temperaturabhängigen Materialmodell modelliert, das zur Berücksichtigung große Verzerrungen und Rotationen am Riss erweitert wurde. Für die genaue Berechnung des ΔCTOD bei TMF wurden effiziente FEM-Techniken erarbeitet. Zur Simulation der Rissausbreitung wurde ein automatischer FEM-Algorithmus mit inkrementeller adaptiver Neuvernetzung entwickelt, bei dem die Verformungen und inelastischen Zustandsvariablen jeweils vom alten auf das neue Netz übertragen werden. Dieser Algorithmus wurde im Software-Paket ProCrackPlast implementiert, das in Verbindung mit dem kommerziellen FEM-Code Abaqus zur Lösung dreidimensionaler Rissprobleme zur Verfügung steht. Ziel der umfangreichen experimentellen Arbeiten war es, an isothermen LCF und anisothermen TMF-Versuchen mit gekerbten Flachzugproben (SENT) das Risswachstum im Temperaturbereich von 20 °C bis 700 °C zu ermitteln. Mit Hilfe begleitender 2D FEM Simulationen wurden anhand dieser Datenbasis die Rissfortschrittskurven des Werkstoffs unter Anwendung des ΔCTOD-Konzepts bestimmt und in geeigneter, parametrisierter Form den Nutzern zur Verfügung gestellt. Die Versuche an SENT-Proben wurden mit der entwickelten Software ProCrackPlast als 3D Modell simuliert. Der Vergleich der 2D und 3D Simulationen ergab einen systematischen Unterschied im CTOD und CTOD, der mit Hilfe eines Übertragungsfaktors korrigiert wurde. Der Vergleich der 3D Berechnungen mit den Experimenten zeigte eine zufriedenstellende Übereinstimmung der er- reichten Risslänge mit der Zahl der Lastzyklen im gesamten Temperaturbereich, wobei die numerische Prognose meist auf der konservativen / sicheren Seite lag. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse der 2D Parameteridentifikation auf 3D Risskonfigurationen mit Mixed-Mode Beanspruchung ist mit zusätzlichen Versagenshypothesen verbunden, die aufgrund fehlender Versuchsdaten im Vorhaben nicht endgültig geklärt werden konnten. Zur Validierung des Gesamtkonzeptes wurden LCF-Proben mit einem bauteil- typischen Oberflächenriss experimentell und numerisch untersucht. In der Simulation konnte die komplexe Form und Größe der Rissentwicklung zufriedenstellend (richtig) vorhergesagt werden. Die Leis- tungsfähigkeit der erarbeiteten rechnerische Bewertungsmethode wurde an weiteren TMF-Beispielen vorgestellt und diskutiert. Die Software ProCrackPlast und die viskoplastische Materialroutine wurden dem Anwenderkreis des Vorhabens zusammen mit einem Nutzer-Handbuch und Verifikationsbeispielen zur Verfügung gestellt.
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.
Das hochaktuelle Thema der Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien wird im Zuge der digitalen Transformation in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie in verschiedenen Projekten adressiert. Dabei stehen die Interoperabilität von nach FAIR-Prinzipien erstellten und veröffentlichten Daten und Anwendungen im Vordergrund. Zur Umsetzung eines komplexen Datenmanagements sowie der Digitalisierung im Bereich der Materialwissenschaften etablieren sich Ontologien zunehmend als belastbares Werkzeug. Sie ermöglichen sowohl menschenlesbare als auch maschinenverständliche und -interpretierbare Wissensrepräsentationen durch semantische Konzeptualisierungen.
Im Rahmen des Projektes Plattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) werden Ontologien verschiedener Ebenen entwickelt (verbindende mid-level sowie Domänen-Ontologien). Die PMD-Kernontologie (PMD Core Ontology - PMDco) ist eine Ontologie der mittleren Ebene), die Verbindungen zwischen spezifischeren MSE-Anwendungsontologien und domänenneutralen Konzepten herstellt, die in bereits etablierten Ontologien höherer Ebenen (top-level Ontology) verwendet werden. Sie stellt somit einen umfassenden Satz von durch Konsensbildung in der Gemeinschaft (geteiltes Vokabular) entstanden Bausteinen grundlegender Konzepte aus der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (MSE) dar. Das primäre Ziel des PMDco-Designs ist es, die Interoperabilität zwischen verschiedenen MSE-bezogenen und anderen Ontologien zu ermöglichen. Die PMDco dient als umfassend ausgelegte und erweiterbare semantische Zwischenschicht, die gemeinsame MSE-Konzepte durch semantisches Mapping auf andere Darstellungen vereinheitlicht, was sie zu einem effizienten Werkzeug zur Strukturierung von MSE-Wissen macht. In dieser Präsentation wird die Version 2.0 der PMDco vorgestellt.
Weiterhin wird eine auf die PMDco bezogene normenkonforme ontologische Repräsentation zur Speicherung und Weiterverarbeitung von Zugversuchsdaten präsentiert, die in enger Zusammenarbeit mit Standardisierungsgremien erstellt wurde. Dies umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verbindung von Ontologie und Daten. Letztendlich können die entsprechenden Daten in einem Triple Store abgelegt und abgefragt werden. Auf Basis dieser Zugversuchsontologie wurde im Folgenden unter Verwendung eines elektronischen Laborbuches (electonic lab notebook – ELN) zur Datenaufnahme eine Praktikumsreihe von Universitätsstudierenden digitalisiert. Dadurch wurde eine vollständig digital integrierte Versuchsführung ermöglicht, die auf andere Versuchsreihen und Experimente übertragbar ist und ebenfalls vorgestellt werden soll. Neben einer erleichterten Aufnahme, Analyse und (Wieder-)Verwendbarkeit von Daten wird damit eine Sensibilisierung von Studierenden für Datenstrukturierung sowie semantische Technologien im Sinne der Aus- und Weiterbildung erreicht.
Als elektrische Durchschlagfestigkeit bezeichnet man die elektrische Feldstärke, bei der es zur Entladung durch ein isolierendes Medium kommt. Im Falle von Festkörpern ist dies ein zerstörender Prozess. Bei der messtechnischen Bestimmung der Durchschlagfestigkeit haben neben den verwendeten Messgeräten auch die eingesetzten Elektroden, die Form des Prüfkörpers und das Isoliermedium, in dem die Prüfung stattfindet, einen signifikanten Einfluss auf die ermittelten Messwerte. Im Vortrag werden die Einflüsse erläutert und anhand von Messreihen aus der Literatur und der eigenen Forschung quantifiziert. Aufgrund der vorgestellten Effekte wird klar, dass es sich bei elektrischer Durchschlagfestigkeit nicht um absolute Materialkennwerte handelt, sondern vielmehr um systemabhängige Größen.
Im Vortrag werden das Messprinzip einer Photozentrifuge erläutert und die Anforderungen der zugrundeliegenden Normen diskutiert. Die praktische Durchführung der Messung und insbesondere auch die vorbereitenden Arbeiten, sowie die Auswertung der Rohdaten bilden den Schwerpunkt des Vortrags. Gezeigt werden auch die Validierung sowie ein Beispiel zur regelmäßigen Verifizierung des Verfahrens. Nach Anwendungsbeispielen und Vergleichen zu Ergebnissen mit anderen Messverfahren, wird das Verfahren in einer Zusammenfassung bewertet.