5 Werkstofftechnik
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Nachdem im Verbundprojekt COORAL das Hauptaugenmerk auf überkritisches CO2 gelegt wurde, d. h. Transport über kurze Strecken bei erhöhter Temperatur, wurde in CLUSTER ein größeres lokales Transport-Netzwerk betrachtet, bei dem CO2 bei geringeren Temperaturen, also vorwiegend im flüssigen Zustand transportiert wird. Wurden in COORAL die CO2-Ströme von Kohlekraftwerken untersucht, ging es in CLUSTER zusätzlich um die Emissionen von relevanten Industrien, deren CO2-Emissionen nicht ohne Weiteres vermieden werden können.
Aufgrund der Erfahrungen in COORAL konnte eine Auswahl von kommerziellen Werkstoffen getroffen werden, die für einen konkreten Einsatz für CCS zur Verfügung stünden. Die gemischten und fluktuierenden CO2-Zusammensetzungen sind bei geeigneten Begrenzungen der Begleit¬stoffe im CO2 bezüglich Korrosionsvorgänge beherrschbar. Die Machbarkeit eines lokalen CCS-Clusters erscheint daher gegeben, soweit dies die Anlagen für Kompression, Transport und Injektion betrifft.
Die Strukturierung keramischer Grünfolien und Laminate ist ein wesentlicher Prozessschritt in der keramischen Multilayer-Technologie und begründet die funktionelle Vielfalt keramischer Multilayer. Benötigt wird die Grünbearbeitung für die Herstellung elektrischer und thermischer Vias sowie innerer Kavitäten und Kanäle für Transport und Lagerung von Gasen und Flüssigkeiten in hochintegrierten Schaltungsträgern, Sensoren und Reaktoren. Standardverfahren in der industriellen Fertigung sind Heißschneiden, Stanzen und Laserbearbeitung. Darüber hinaus werden auch Bohren, Fräsen, Sägen und Heißprägen verwendet. Über die Erprobung weiterer Verfahren wie Wasserstrahlschneiden, Dampfstrahlätzen und Powder Blasting wird in der Literatur berichtet.
Im Vortrag werden spezifische Vor- und Nachteile der eingesetzten Verfahren beleuchtet. Abschließend werden die Kriterien für die Auswahl des optimalen Strukturierungsverfahrens diskutiert. Zusammensetzung und Gefüge sowie die dadurch bedingten mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften sowie das Absorptionsverhalten von Grünfolien sind sehr unterschiedlich. Daraus resultieren unterschiedliche optimale Bearbeitbarkeitsparameter.
Das Ziel des Gesamtvorhabens bestand darin, einen neuartigen kapazitiven Sensortyp zur hochauflösenden Bestimmung von Masse- und Gravitationskraftänderungen zu entwickeln. Bisherige Technologien nutzten dafür Federn oder Biegebalken aus gehärteten metallischen Werkstoffen, deren Alterungsverhalten die Präzision der Kräftemessung begrenzen. Grundprinzip des neuen Sensortyps ist es, eine auf die keramische Feder einwirkenden Änderung der Gewichts- oder Gravitationskraft durch eine Erfassung der Kapazitätsänderung am Sensor zu bestimmen. Dazu muss die durch Stauchung oder Dehnung der Feder entstehende Kapazitätsänderung mit hoher Auflösung reproduzierbar gemessen werden. Neben einem geeigneten Sensordesign waren Lösungen für Messsignalerfassung und -auswertung (Elektronik/Software) und die Systemintegration zu entwickeln.
Die wichtigsten im Rahmen des BAM-Teilvorhabens erzielten Ergebnisse sind:
- Ausgehend von kommerziellen High-end Keramikpulvern wurden durch Optimierung der keramischen Technologie nahezu porenfreie Al2O3, ZrO2 und Si3N4-Werkstoffe hergestellt und bezüglich Gefüge und Phasenbestand sowie mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften bewertet. Insbesondere die defektfreie Herstellung von nanostrukturierten Werkstoffen erforderte umfangreiche Variationen der Prozessparameter. Geeignete Werkstoffvarianten wurden für die Federherstellung ausgewählt.
- Gemeinsam mit den Projektpartnern wurden Layoutvarianten für Schraubendruckfedern mit rechteckigem Windungsquerschnitt und für die Federeinbindung in das Sensorsystem erarbeitet.
- 4 Federvarianten wurden an der BAM durch Hartbearbeitung von gesinterten Hohlzylindern umgesetzt. Fertigungstoleranzen von < ±10 µm für Windungsbreite, Windungshöhe und Windungsabstand und dünnfilm-kompatible innere Windungsflächen (Ra < 0,2 µm) wurden erreicht. Al2O3- und ZrO2-Federn können rissfrei und mit sehr guter Kantenqualität gefertigt werden, bei Si3N4-Federn konnten Kantenschädigungen nicht vollständig verhindert werden.
- Mit der entwickelten Herstellungstechnologie können sowohl „harte“ als auch sehr „weiche“ Federn produziert werden. Federkonstanten zwischen 0,02 N/mm und 10 N/mm wurden realisiert. Die Reproduzierbarkeit der Federfertigung ist gegeben, innerhalb einer Charge unterschieden sich die Federkonstanten der gefertigten Federn nur um etwa +/- 1%.
- An einem speziell entwickelten Versuchsstand wurden die Federn unter zyklischer Druckbelastung im Temperaturbereich von -20 bis +80 °C untersucht. An den Al2O3- und ZrO2-Federn wurden keine Schädigungen beobachtet, die Federkonstante wird durch die zyklische Langzeitbelastung nicht verändert.
- Die Eignung der keramischen Federn für den Applikationsfall wurde mit zahlreichen Spannungs-Dehnungs-Experimenten, teilweise an speziell aufgebauten Versuchsapparaturen, untersucht. An Al2O3- und Si3N4-Federn wurde – wie erwartet – gefunden, dass die Federkonstante unabhängig von der Belastungsgeschwindigkeit ist und unter konstanter Last auch über lange Zeiträume keine Verformung auftritt. Überraschenderweise zeigten ZrO2 (TZP)-Federn ein zeitabhängiges Verhalten unter Last. Dieses ist besonders stark bei Y-stabilisierten Werkstoffvarianten ausgebildet, wurde aber mit Hochpräzisionsmessungen auch bei Ce-stabilsierten Werkstoffen nachgewiesen. Die Deformation ist reversibel, eine vollständige Relaxation wird erst nach Tagen erreicht. Aufgrund der zeitabhängigen Verformung können ZrO2 (TZP)-Federn, trotz ihrer hervorragenden Festigkeit und Bruchzähigkeit, nicht für die konzipierten Sensorfedern eingesetzt werden.
- Das durch die Fa. Siegert TFT entwickelte Metallisierungs-Schichtsystem, bestehend aus aufgesputterten Ti-, Pt- und Au-Schichten verstärkt durch eine galvanisch aufgebrachte Au-Schicht, wurde an der BAM umfassend bewertet. Die Schichten sind untereinander und mit der Keramik weitgehend defektfrei verbunden, die lokale Schichtdicke schwankt jedoch bedingt durch Abschattungseffekte während der Beschichtungsvorgang. Es wurden Schichtwiderstände zwischen 50 und 90 Ohm und damit die Zielvorgabe des Projektes (< 100 Ohm) erreicht. In statischen und dynamischen Belastungstests wurden keine Veränderungen der Leitungswiderstände festgestellt.
- Zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators kann der Raum zwischen den Federwindungen statt mit Luft mit einer Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante gefüllt werden. Als geeignete Flüssigkeit wurde Propylencarbonat mit einer Dielektrizitätskonstante von 65, einem hohen Siedepunkt und einer geringen Viskosität identifiziert. Um eine noch höhere Dielektrizitätskonstante zwischen den Federwindungen zu erreichen. wurden Suspensionen aus Silikonöl und nanokristallinem Bariumtitanat hergestellt und bezüglich ihrer Langzeitstabiltät charakterisiert.
- Gemäß den Anforderungen des Projektpartners KOMPASS wurden maßgeschneiderte Al2O3-Federn mit einer Federkonstante < 0,1 N/mm hergestellt und für den Aufbau des finalen Demonstrator eingesetzt.
Die prinzipielle Funktionsfähigkeit des neuen Sensorkonzeptes auf Basis keramischer Federn wurde mit dem im Projekt aufgebauten Demonstrator nachgewiesen. Die Umsetzung der F+E-ergebnisse in eine industrielle Nutzung zur Herstellung von Gravimetern wird vom Projektpartner KOMPASS angestrebt und ist bereits mit detaillierten Zeitplänen untersetzt.
Die hohen Betriebstemperaturen während des Einsatzes von Radialverdichterrädern in Abgasturboladern führen zu einer Änderung der ursprünglich eingestellten Mikrostruktur in der warmfesten Aluminiumlegierung EN AW-2618A (Überalterung). Grund dafür sind thermische Belastungen, die nahe der Aushärtetemperatur liegen und diese kurzzeitig sogar überschreiten können. Die Alterungsmechanismen wurden zusammen mit den Themen niederzyklische (LCF) und thermomechanische Ermüdung (TMF) sowie Kriechen bis max. 190 °C in vorangegangenen Forschungsvorhaben untersucht. Kaum untersucht war bisher das Verhalten der Legierung unter hochzyklischer Beanspruchung (HCF) sowie der Einfluss von Kerben und Lastkollektiven. Da zukünftig mit weiter steigenden Betriebstemperaturen für Radialverdichter zu rechnen ist, wurde in diesem Forschungsvorhaben das HCF-Verhalten bei 230 °C untersucht und somit bei einer Prüftemperatur, die deutlich oberhalb der Aushärtetemperatur liegt. Das Ziel des Projektes war der Aufbau einer geeigneten experimentellen Datenbasis, das Verständnis der relevanten mikrostrukturellen Prozesse sowie die Weiterentwicklung und Anpassung geeigneter Modelle und Bewertungsmethoden.
Das experimentelle Untersuchungsprogramm umfasste neben einer Basischarakterisierung des HCF-Verhaltens am Ausgangszustand T61 gezielte mechanische Versuche zur Isolierung der Einflussfakto-ren Mittelspannung (𝑅 = −1, 𝑅 = 0,1), Werkstoffüberalterung (T61, 10 h/230 °C, 1000 h/230 °C), Prüftemperatur (20 °C, 230 °C), Prüffrequenz (0,2 Hz, 20 Hz) sowie Kerbwirkung und variable Amplituden. Darauf aufbauend wurden die in den vorangegangenen Projekten entwickelten Modelle und Bewertungsmethoden angepasst und weiterentwickelt, um die genannten thermischen und mechanischen Belastungen in der Lebensdauerbewertung abzubilden.
Die Eigenschaften verschiedener Werkstoffe werden behandelt und typische Werkstoffkennwerte angegeben. Es werden Arten der Beanspruchung von Bauteilen und Werkstoffen vorgestellt, die diese in technischen Anwendungen unterworfen sind. Im Betrieb von Bauteilen kann Materialschädigung und unter Umständen auch Versagen eintreten. Mögliche Mechanismen und Ursachen werden erläutert und Einblicke in die Methodik der Schadensanalyse gegeben.
Die Digitalisierung von Materialien und Prozessen stellt eine große Herausforderung dar, die nur durch eine Bündelung der Bemühungen aller Beteiligten in diesem Bereich erreicht werden kann. Bei einer derartigen digitalen Beschreibung spielen Datenanalysemethoden, eine Qualitätssicherung von Prozessen inklusive Input- und Output-Daten sowie die Interoperabilität zwischen Anwendungen nach den FAIR-Prinzipien eine wichtige Rolle. Dies umfasst das Speichern, Verarbeiten und Abfragen von Daten in einer vorzugsweise standardisierten Form (Beteiligung von Normungsgremien).
Zur Bewältigung dieser Herausforderung ist eine mit allen Stakeholdern konsistente Kontextualisierung der Materialdaten anzustreben, d.h. alle erforderlichen Informationen über den Zustand des Materials einschließlich produktions- und anwendungsbezogener Änderungen müssen über eine einheitliche, maschinenlesbare Beschreibung verfügbar gemacht werden. Dazu werden Wissensrepräsentationen und Konzeptualisierungen ermöglichende Ontologien verwendet. Eine zentrale Betrachtungsweise in diesem Zusammenhang ist die Realisierung von (automatisierten) Datenpipelines, die eine Beschreibung und Verfolgung von Daten ausgehend von ihrer Erzeugung, bspw. in einem Messgerät, bis zu ihrer globalen Verwendung in möglicherweise verschiedenen Kontexten beinhalten.
Erste Bemühungen und Ansätze zu diesen Problemstellungen führten im Projekt Innovations-Plattform Material Digital (PMD, materialdigital.de) zur Erstellung von Anwendungsontologien, die Prozesse und Testmethoden explizit beschreiben. Dabei wurde u.a. der Zugversuch an Metallen bei Raumtemperatur nach ISO 6892-1 ontologisch beschrieben. Diese als Beispiel dienende Ontologieentwicklung wird in dieser Präsentation vorgestellt. Weiterhin wurde, ausgehend von der domänenspezifischen Entwicklung von Anwendungsontologien, eine Kernontologie erstellt, die eine übergeordnete Verbindung von ontologischen Konzepten aufgrund der Verwendung gleichen Vokabulars und semantischer Verknüpfungen erlaubt. Diese sowie die das PMD-Projekt selbst werden ebenfalls in dieser Präsentation vorgestellt.
Im Rahmen des Vortrags werden die neusten Ergebnisse aus dem Fachbereich 5.3 zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens von FKV mittels Mikromechanischer-Modelle präsentiert. Explizit wird der theoretische Ansatz am Beispiel von GFK unter thermomechanischer Beanspruchung hergeleitet und an Hand von Versuchsergebnissen verifiziert.
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.
Im Vortrag werden das Messprinzip des Zentrifugen-Sedimentationsverfahrens erläutert und die Anforderungen der zugrundeliegenden Normen diskutiert. Es schließen sich umfangreiche Ausführungen zur praktischen Durchführung der Messung, insbesondere auch zu den vorbereitenden Arbeiten, sowie zur Auswertung der Rohdaten an. Gezeigt werden die Validierung sowie ein Beispiel zur regelmäßigen Verifizierung des Verfahrens. Nach Beispielen und Vergleichen zu Ergebnissen mit anderen Messverfahren, wird das Verfahren in einer Zusammenfassung bewertet.
Im Vortrag werden das Messprinzip des Zentrifugen-Sedimentationsverfahrens erläutert und die Anforderungen der zugrundeliegenden Normen diskutiert. Es schließen sich umfangreiche Ausführungen zur praktischen Durchführung der Messung, insbesondere auch zu den vorbereitenden Arbeiten, sowie zur Auswertung der Rohdaten an. Nach einem Vergleich der Ergebnisse mit anderen Messverfahren, wird das Verfahren in einer Zusammenfassung bewertet.
Im Vortrag werden das Messprinzip des Zentrifugen-Sedimentationsverfahrens erläutert und die Anforderungen der zugrundeliegenden Normen diskutiert. Es schließen sich umfangreiche Ausführungen zur praktischen Durchführung der Messung, insbesondere auch zu den vorbereitenden Arbeiten, sowie zur Auswertung der Rohdaten an. Nach einem Vergleich der Ergebnisse mit anderen Messverfahren, wird das Verfahren in einer Zusammenfassung bewertet.
Im Rahmen des 2. BAM-Akademie Info-Tages "Nano or not Nano" wurde die OECD TG 124 "Volume Specific Surface Area of Manufactured Nanomaterials" vorgestellt. Der Vortrag beschreibt detailliert das Messverfahren der He-Gaspyknometrie zur Bestimmung der Skelettdichte von Pulvern und geht auf Anwendbarkeit, Besonderheiten bei Nanopulvern und wichtige Einstellparameter für die Messung ein.
Im Rahmen des 2. BAM-Akademie Info-Tages "Nano or not Nano" wurde die OECD TG 124 "Volume Specific Surface Area of Manufactured Nanomaterials" vorgestellt.
Der Vortrag beschreibt die Bestimmung der spezifischen Oberfläche von dispersen und/oder porösen Pulvern mittels Gasadsorption nach dem BET-Verfahren.
Es wird auf die Anwendbarkeit der Methode eingegangen und es werden praktische Hinweise zur Probenvorbereitung und Messung von Nanomaterialien gegeben.
Druckbehälter werden vor ihrer Inbetriebnahme obligatorisch einer hydraulischen Prüfung bis zum sog. Prüfdruck belastet. Damit sollen fehlerhaft gefertigte Individuen erkannt und ausgesondert werden. Mit dieser Prüfung werden aber auch diejenigen Einzelbehälter ausgesondert, die ohne einem nachvollziehbaren Fertigungsfehler, nur auf Basis der statistischen Streuung ggf. eine Festigkeit unterhalb des Prüfdrucks aufweisen.
Da der Prüfdruck im Fall der Wasserstoffspeicher mindestens 20% über dem maximal zulässigem Betriebsdruck liegt, wäre damit ein Versagen im Betrieb ausgenommen, gäbe es die verschiedenen Alterungs- bzw. Ermüdungseffekt nicht.
Um den Einfluss der erstmaligen Prüfung auf eine angenommene ausfallfreie Zeit bewerten zu können, wird hier die Alterung und die erstmalige Prüfung in Kombination analysiert. Hierzu wird auf Basis der Restfestigkeitsdaten aus einer umfangreichen Prüfkampagne ein Ansatz für die Beschreibung der Alterung ermittelt und auf andere Lastzustände übertragen.
So kann für das Baumuster, das der o.g. Prüfkampagne zugrunde lag, mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation gezeigt werden, dass mindestens 10.000 LW vor einem ersten Alterungsversagen mit 1 aus 1 Mio. In Abhängigkeit der Anzahl der Individuen, die bei der erstmaligen Prüfung versagen, und der Streuung der gesamten Population, kann diese Mindestfestigkeit auf realistisch 50.000 Lastwechsel steigen.
Damit ist gezeigt, dass aufgrund der erstmaligen Prüfung eine Mindestfestigkeit erzeugt wird, die stark vom Alterungsverhalten abhängt. Im Ergebnis heißt dies, dass in den Vorschriften aktuell die Bedeutung des Mindestberstdrucks in der Baumusterprüfung überschätzt und die möglichst betriebsbegleitende Erfassung der Alterung unterschätzt sind.
Druckbehälter werden vor ihrer Inbetriebnahme obligatorisch einer hydraulischen Prüfung bis zum sog. Prüfdruck belastet. Damit sollen fehlerhaft gefertigte Individuen erkannt und ausgesondert werden. Mit dieser Prüfung werden aber auch diejenigen Einzelbehälter ausgesondert, die ohne einem nachvollziehbaren Fertigungsfehler, nur auf Basis der statistischen Streuung ggf. eine Festigkeit unterhalb des Prüfdrucks aufweisen.
Da der Prüfdruck im Fall der Wasserstoffspeicher mindestens 20% über dem maximal zulässigem Betriebsdruck liegt, wäre damit ein Versagen im Betrieb ausgenommen, gäbe es die verschiedenen Alterungs- bzw. Ermüdungseffekt nicht.
Um den Einfluss der erstmaligen Prüfung auf eine angenommene ausfallfreie Zeit bewerten zu können, wird hier die Alterung und die erstmalige Prüfung in Kombination analysiert. Hierzu wird auf Basis der Restfestigkeitsdaten aus einer umfangreichen Prüfkampagne ein Ansatz für die Beschreibung der Alterung ermittelt und auf andere Lastzustände übertragen.
So kann für das Baumuster, das der o.g. Prüfkampagne zugrunde lag, mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation gezeigt werden, dass mindestens 10.000 LW vor einem ersten Alterungsversagen mit 1 aus 1 Mio. In Abhängigkeit der Anzahl der Individuen, die bei der erstmaligen Prüfung versagen, und der Streuung der gesamten Population, kann diese Mindestfestigkeit auf realistisch 50.000 Lastwechsel steigen.
Damit ist gezeigt, dass aufgrund der erstmaligen Prüfung eine Mindestfestigkeit erzeugt wird, die stark vom Alterungsverhalten abhängt. Im Ergebnis heißt dies, dass in den Vorschriften aktuell die Bedeutung des Mindestberstdrucks in der Baumusterprüfung überschätzt und die möglichst betriebsbegleitende Erfassung der Alterung unterschätzt sind.
Hochleistungsverbundwerkstoffe, bzw. Glasfaser-Kunststoff-Verbunde (GFK), haben sich als Leichtbauwerkstoffe für Leichtflugzeuge und Rotorblätter von Windkraftanlagen etabliert. Die hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit qualifizieren sie besonders für diese Anwendung. Während der Fertigung werden Imperfektionen häufig in die Blattschalen eingebracht. Durch Witterungseinflüsse kommt es zum Schadensfortschritt. Infolgedessen treten Schäden in der Blattschale, die den sicheren Betrieb gefährden können, weit vor der projektierten Lebensdauer von 20 Jahren auf. Da der Austausch von ganzen Blättern sehr kostintensiv ist, ist eine lokale Reparatur des geschädigten Bereichs zur Wiederherstellung der strukturellen Integrität, viel preisgünstiger. Die Reparatur von Rotorblättern ist in den letzten Jahren zu einem wichtigen Thema geworden. Derzeit werden verschiedenste Reparaturkonzepte angewendet. Eine einheitliche Reparaturvorgabe gibt es bisher nicht. Die Auswirkungen der angewendeten Reparaturkonzepte auf die Betriebsfestigkeit der Reparaturstelle sind weitestgehend unbekannt und sollen deshalb in diesem Projekt untersucht werden. Gekrümmte Voll-Laminat sowie Sandwich Prüfkörper werden mit dem Vacuum-Assisted-Resin-Infusion-Prozess (VARI) produziert. Um einen Teil einer Rotorblattschale darzustellen, sind sie als GFK aufgebaut, beziehungsweise die Sandwich Strukturen mit einem Polyvinylchlorid-Schaumkern (PVC) Kern, wie im Original. Schalenreparaturen in verschiedenen Layup-Techniken und Geometrie werden eingebracht und die Materialeigenschaften mit zyklischen Ermüdungstests untersucht. Im Projekt werden ideal im Labor erzeugte Reparaturstellen mit in der Praxis angewendeten Ausführungstechniken eines Industriepartners experimentell verglichen. Für die in-situ Detektion der Schadensentwicklung während des Ermüdungsversuches kommt ein kombiniertes Felddehnungs- und Thermografie-Kamerasystem zum Einsatz. Das mechanische Verhalten und die Schadensentwicklung in den verschiedenen reparierten Prüfkörper wird miteinander sowie mit den Referenzproben ohne Reparaturstellen verglichen. Zudem wird in numerischen Modellen für die verschiedenen Reparaturtechniken eine Spannungsanalyse durchgeführt um hinsichtlich der Betriebsbeanspruchung eine Bewertung angeben zu können.