6.7 Materialsynthese und Design
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Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
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Der Mangel an Anwendungsrichtlinien und Validierungsverfahren für struktur-eingebettete faseroptische Dehnungssensoren, insbesondere auf Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Basis, führte bislang dazu, dass diese Sensoren trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften im Bereich der kommerziellen Material- und Strukturüberwachung nur in geringem Umfange eingesetzt wurden. Fragen zur Degradation der Sensoren unter Beanspruchung, Alterung durch klimatische Einflüsse und Enthaftung infolge Belastung der Struktur konnten bisher nur theoretisch simuliert oder anhand exemplarischer Proben für einzelne einflussnehmende Parameter im Labor untersucht werden. Die Erfassung des Sensorverhaltens im Bauteil unter komplexen Umwelteinflüssen während des Bauteilbetriebes, um damit eine Aussage zur Zuverlässigkeit der Sensormessdaten zu gewinnen, war bisher nicht möglich.
Im Forschungsprojekt FAMOS² wurde deshalb von 2014 bis 2018 die Realisierung eines Autodiagnoseverfahrens für faseroptische Dehnungssensoren erarbeitet, um die Funktionszuverlässigkeit und Langzeitstabilität der Sensoren während des Bauteilbetriebes innerhalb einer Bauteilstruktur bewerten zu können. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde gezeigt, dass ein FBG-Sensor mit einer speziell angepassten magnetostriktiven Schicht magnetisch so angeregt werden kann, dass mit einer zugeschnittenen Messmethodik zu jedem Zeitpunkt eine Bewertung der Sensorzuverlässigkeit unter Betriebsbedingungen möglich ist. Die auf den Sensor aufgebrachte magnetostriktive Schicht erzeugt bei Anregung mit einem passenden Magnetfeld eine gepulste, synthetische Dehnung. Diese Dehnung steht in einem definierten Verhältnis zum anregenden Magnetfeld und wird optisch über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge ausgelesen. Die Konstanz dieses Verhältnisses stellt dann ein Maß für die korrekte Funktionsfähigkeit des Sensors dar. Das Beschichtungs-verfahren, das magnetische Anregungs- und optische Ausleseverfahren, wie auch die Validierung des Sensors unter Berücksichtigung faseroptischer Effekte wurden während des Projekts konzeptionell entwickelt, aufgebaut und charakterisiert. Qualitativ kann mit diesem Verfahren zunächst eine Gut-/Schlecht-Beurteilung des Sensors vorgenommen werden. Perspektivisch bietet das Verfahren jedoch auch die Möglichkeit, verschiedene Versagensmechanismen bestimmen und klassifizieren zu können. Es zeichnete sich schon während des Projektverlaufs ab, dass sich aus den erzielten Ergebnissen über das Autodiagnoseverfahren hinaus weitere Anwendungsmöglichkeiten für den Einsatz des kombinierten magnetostriktiv-faseroptischen Sensorprinzips, beispielsweise als reiner Magnetfeldsensor, ergeben.
Nach Abschluss dieses Forschungsprojekts besteht nun die Möglichkeit, den Funktionszustand faseroptischer Dehnungssensoren jederzeit unabhängig von Alter, Belastung oder Kenntnis eines Referenzzustands zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen zu können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen können weiterführende Forschungen die Messmethodik vertiefend charakterisieren und weitere Anwendungsfälle erschließen.
Das Fügeverfahren Kleben bietet viele Vorteile wie z.B. das Verbinden schwieriger Materialklassen, geringe thermische Belastung (Strukturveränderung/-schwächung) der Fügepartner und eine Lastverteilung über den gesamten Fügebereich. Die Auswahl an verfügbaren Klebstoffen und Vorbehandlungsoptionen ist dabei ebenfalls vielfältig. Einige Polymere weisen darüber hinaus Eigenschaften auf, die eine Herstellung von festen und dauerhaft beanspruchbaren Klebverbindungen erschweren. Mittels Oberflächenbehandlung, z.B. durch Plasmafeinreinigung bzw. –aktivierung, können die Grenzflächern solcher Polymere - bezogen auf die Eignung als Fügeteilpartner – optimiert werden. Schnelle Prüfverfahren zur Ermittlung von Verbundeigenschaften sind somit erforderlich.
Das Messprinzip Centrifugal Adhesion Testing Technologie verwendet die radial gerichtete Zentrifugalkraft als Belastungsgröße des zu testenden Verbunds, die durch Variation der Drehzahl gesteuert wird. Bei Erreichen der kritischen Beanspruchung trennt sich ein aufgeklebter Prüfstempel vom Substrat. Zeitgleich wird ein positionsbezogenes IR-Signal aus dem drehenden Rotor an das Basisgerät gesendet und zusammen mit der Drehzahl an die PC-Software übertragen. Für jede Probe wird die Bruchkraft berechnet und in Echtzeit angezeigt. Der Adhesion Analyser LUMiFrac® untersucht bis zu acht Prüfkörper unter identischen Bedingungen. Das neue Messprinzip erfüllt die Anforderungen von DIN EN 15870, DIN EN 14869-2, ISO 4624 sowie DIN EN 13144.
Die Multiprobentestung ermöglicht schnelle Charakterisierungen von Klebverbindungen. So kann der Effekt einer Plasmabehandlung von Bauteilen auf die Verbundfestigkeit zeitsparend bestimmt werden. Die gezielte Veränderung unterschiedlicher Plasma-Parameter, wie beispielsweise, die Plasmazusammensetzung, der Abstand vom Plasmabrenner zur Oberfläche oder die Verweildauer unter dem Brenner, beeinflußt die Festigkeit des Klebsystems und ist dem LUMiFrac direkt quantifizierbar.
Neben der Festigkeitsbestimmung von Klebverbindungen ist die Haftung von Schichtsystemen ein wichtiger Anwendungsbereich. Ergebnisse für Zug- und Scherbeanspruchung, realisiert mit unterschiedlichen Prüfkörper-Geometrien, werden vorgestellt. Ferner werden verschiedene festigkeitsbeeinflussende Faktoren, wie Prüfgeschwindigkeit oder Substratverformung bei Beanspruchung untersucht
Der DIN Ringversuch weist nach, dass die CAT Technologie zur ZPM Prüfung statistisch nicht unterscheidbare Prüfergebnisse liefert, so dass lediglich eine Ergänzung der DIN EN 15870 unter Berücksichtigung der CAT-Technologie (mit Bezug auf äquivalente Kraft und Weg zunahmen) als zweiter normativer Prüfmethode sinnvoll erscheint.
Vorstellung des Revisionsvorschlages im CEN TC 193 am 08.04.2021 mit dem Beschluss, eine Umfrage unter Verwendung des unveränderten deutschen Revisionsvorschlages durchzuführen.
Oberflächenmodifizierte Grundwerkstoffe, insbesondere solche mit funktionellen Schichten, sind in unterschiedlichsten Branchen und Anwendungen anzutreffen. Es werden Quer- und Kalottenschliffe von Einfach- und Mehrschichtsystemen mit Beispielen aus dem Bereich des Korrosions- und Verschleißschutzes sowie dekorativer Anwendungen auf unterschiedlichsten Grundwerkstoffen (X5CrNi1810 Stahl, 100Cr6 Stahl, Hartmetall, ABS und Pappe) vorgestellt. Ebenso vielfältig wie die Grundwerkstoffe sind die Oberflächenmodifizierungen mit Funktionsschichten auf Basis von Nitrierungen, Hartstoffen, diamantähnlichem Kohlenstoff, Metallisierungen und Lackschichten mit Interferenzpigmenten. Neben der Identifikation von Schichtdefekten gilt das Hauptaugenmerk der materialographischen Analyse der Erfüllung der Schichtdickenspezifikation und der Bewertung der Homogenität der Schichtdicke auch bei kritischen Geometrien. Zur Validierung der Schichtdicken- bzw. Längenbestimmung im Querschliff wurde ein Laborvergleichsversuch mit einem Nickel-beschichteten Kupferdraht durchgeführt, den alle der 10 Teilnehmer bestanden.
Ziel des Projektes HARFE (Haftfestigkeit Reproduzierbarkeit Festigkeit) war es, eine Er-höhung der Haft- bzw. Klebfestigkeit auf Niedrigenergie-Polymeren (PE, PP, PTFE) zu erreichen. SENTECH realisierte dazu plasmachemische Oberflächenaktivierungen mit O2 und die Abscheidung von Aluminiumoxidschichten (Al2O3) mittels Atomic Layer Deposition (ALD), wobei die Ellipsometrie zum in-situ Monitoring der ALD-Prozesse diente. Die BAM charakterisierte die modifizierten Oberflächen bezüglich der Oberflächenenergie (OFE) und bestimmte die Verbund- bzw. Klebfestigkeit mittels der Zentrifugentechnologie
Ziel des Projektes HARFE (Haftfestigkeit Reproduzierbarkeit Festigkeit) war es, eine Er-höhung der Haft- bzw. Klebfestigkeit auf Niedrigenergie-Polymeren (PE, PP, PTFE) zu erreichen. SENTECH realisierte dazu plasmachemische Oberflächenaktivierungen mit O2 und die Abscheidung von Aluminiumoxidschichten (Al2O3) mittels Atomic Layer Deposition (ALD), wobei die Ellipsometrie zum in-situ Monitoring der ALD-Prozesse diente. Die BAM charakterisierte die modifizierten Oberflächen bezüglich der Oberflächenenergie (OFE) und bestimmte die Verbund- bzw. Klebfestigkeit mittels der Zentrifugentechnologie
Eine Grundanforderung an Bauteile ist deren mechanische Integrität, die als Festigkeit (globale Bauteilbeanspruchung) bzw. Tragfestigkeit (lokale Beanspruchung) zu verstehen ist. Die Bauteilfestigkeit wird wesentlich durch das Materialgefüge bestimmt und kann über die Prüfung der Härte des Grundwerkstoffes lokal erfasst werden. Bei Bauteilverbindungen (z.B. Schweißnähte) ist zudem der Übergangsbereich zwischen den Fügeteilen von besonderem Interesse, bei Passungen oder Gleitlagern sind zudem geringe Rauheiten erforderlich, die oft durch mechanische Oberflächen-bearbeitung realisiert werden. Leichtbauweisen können sowohl über hochfeste Stahllegierungen bei geringem Materialeinsatz als auch über Aluminiumlegierungen realisiert werden. Für unterschied-liche Grundwerkstoffe (X2CrNiMo18-14-3, Co-Cr-W-Ni, AlSi10Mg, X5CrNi1810, ferritische Schweiß-nähte) werden an Quer- und Oberflächenschliffen Änderungen im Gefüge, morphologische Besonderheiten, Härteverläufe sowie Änderungen in den Rauheitskennwerten betrachtet, wie sie im Ergebnis mechanischer Oberflächenbearbeitung, bedingt durch den Herstellungsprozess, die Beanspruchung oder den Fügeprozess auftreten. Zur Validierung der Härtebestimmung wurde ein Laborvergleichsversuch an einer MPA-zertifizierten Härtevergleichsplatte und einer 100Cr6 Referenzprobe durchgeführt, den drei bzw. fünf der insgesamt fünf Teilnehmer bestanden.
Das Fügeverfahren Kleben bietet viele Vorteile, wie z.B. das Verbinden unterschiedlicher Materialklassen, geringe thermische Belastung (und damit ggf. verbundene Strukturveränderung/-schwächung) der Fügeteile und eine Lastverteilung über den gesamten Fügebereich. Die Auswahl an verfügbaren Klebstoffen und Vorbehandlungsoptionen sind dabei - wie die Applikationen auch - vielfältig. Es werden vier Applikationsbeispiele zu Referenzklebverbunden aus Edelstahl, zur Plasmaaktivierung von Niedrigenergie-Polymeren, zur Bestimmung der Haftfestigkeit von Lackierungen auf GFK und zur Wirkung von Primern vorgestellt. Einige Polymere weisen z.B. Eigenschaften auf, die eine Herstellung von festen und dauerhaft beanspruchbaren Kleb-verbindungen erschweren. Im Allgemeinen geht dies mit geringen Oberflächenenergien einher. Mittels Oberflächenvorbehandlung, z.B. durch Plasmafeinreinigung bzw. Plasmaaktivierung, können die Grenzflächen solcher Polymere - bezogen auf die Eignung als Fügeteile (Klebfestigkeit) oder als Substrat (Haftfestigkeit) – optimiert bzw. die Oberflächenenergie erhöht werden. Schnelle, zuverlässige und statistisch abgesicherte Prüfverfahren zur Ermittlung von Verbund-eigenschaften sind dabei unverzichtbar.
Mit der Zentrifugentechnologie ist seit einigen Jahren ein neuartiges Mehr-Proben-Prüf-verfahren auf dem Markt etabliert, welches die klassische Zugprüfung in den Trommelrotor einer Tischzentrifuge überträgt. In der Beanspruchung auf Zug ist die Prüfung der Verbundfestigkeit seit 2017 nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert, wobei die Verbundfestigkeit von Klebungen direkt bestimmt wird und in Abhängigkeit von den Versagensformen Rückschlüsse auf die Klebfestigkeit von Klebstoffen/Klebebändern oder die Haftfestigkeit von Beschichtungen gezogen werden können.
Bei der zerstörenden Beanspruchung auf Zug ist zu beachten, dass es sich bei der Verbundfestigkeit um eine Systemeigenschaft handelt, d.h. nicht nur die chemischen und topografischen Oberflächeneigenschaften, sondern auch die plasto-elastischen Volumeneigenschaften des Klebstoffes und der Fügeteile haben Einfluss auf die ermittelten Kennwerte. Dabei ist eine qualitative Bestimmung der Versagensformen und Bruchbilder nach DIN EN ISO 10365 zwingend erforderlich, um eine Aussage über die Art des Versagens treffen zu können.
Mit der Erweiterung der Zentrifugentechnologie um Beanspruchungen auf Druck wurde dann der Nachweis erbracht, dass auch die klassische Härteprüfung in einer Zentrifuge als Mehr-Proben-Prüfung durchgeführt werden kann. Im Verbundvorhaben QUO VADIS PLUS werden derzeit invasive Beanspruchungen auf Druck zur Bestimmung der Härte von Materialien, der Kompressibilität von Metallschäumen sowie der Kompaktierbarkeit von Pulvern untersucht, was das Anwendungspotential der Zentrifugentechnologie nochmals erweitert. Dazu gehören auch kombinierte Beanspruchungen wie Zug-Scher- und Druck-Scher-Prüfungen.
Die Verbundfestigkeit von CFK-Platten in Abhängigkeit der Beanspruchungsart (Zug vs. Zug-Scher) bzw. der Faserorientierung (0°, 45°, 90°), die Klebfestigkeit von Klebstoffen bzw. Klebebändern auf unterschiedlichen Fügeteilwerkstoffen in Abhängigkeit von der Vorbehandlung, die Haftfestigkeit optischer Schichten auf Kunststoffen, die Bestimmung der Vickers-, Brinell- bzw. Kugeldruck-Härte sowie die Kompressibilität von metallischen Schäumen und Federn werden als ausgewählte Beispiele diskutiert.