Chemie und Prozesstechnik
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Organisationseinheit der BAM
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (325)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (119)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (109)
- 6 Materialchemie (98)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (84)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (73)
- 1.4 Prozessanalytik (56)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (42)
- 7 Bauwerkssicherheit (41)
- 4 Material und Umwelt (40)
Seit der Antike gehört die Medea-Sage zu den bekanntesten Geschichten der Weltliteratur. Der berühmte französische Künstler Carle Van Loo hat sich dieses Epos um 1759 angenommen und ein beeindruckendes Ölgemälde mit Abmessungen von 2,30x3,28m² erschaffen. Mit Mademoiselle Clairon als Medea und Henri Louis Le Kain als Jason ist ein Kunstwerk entstanden, das seitdem einige Veränderungen und Restaurierungen erfahren hat.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hatte 2020 die Möglichkeit, dieses und ein zweites Kunstwerk, im Neuen Palais in Potsdam, für die Stiftung Preußische Schlösser und Gärten Berlin-Brandenburg, radiografisch zu untersuchen. Hierbei wurden sowohl technologisch als auch kunsthistorisch einige interessante Entdeckungen gemacht, die im vorliegenden Beitrag vorgestellt werden.
Ein Hauptziel der zerstörungsfreien Prüfung und der Strukturüberwachung (engl. Structural Health Monitoring - SHM) mit Ultraschallwellen ist die Charakterisierung von Schäden in Bauteilen. In vielen schalenförmigen Bauteilen, wie zum Beispiel Rohrleitungen, Laminaten und Platten, breitet sich der Ultraschall in Form geführter Wellen aus. Zwar erlauben geführte Wellen eine großflächige Prüfung durch das langsame Abklingen der Wellen. Jedoch breiten sich die Wellen in verschiedenen dispersiven Moden aus, was die Analyse der vom Schaden erzeugten Reflexionen erschwert. Eine Möglichkeit, die Messsignale zu interpretieren, um Schäden zu charakterisieren, ist der direkte Vergleich mit einem Simulationsmodell. Die Rekonstruktion des Schadens stellt ein inverses Problem dar. Das inverse Problem kann als Optimierungsproblem formuliert werden. Für die Optimierung werden mehrere Vorwärtsrechnungen gebraucht, um das Schadensmodell an die Messdaten anzupassen.
Aufgrund der kurzen Wellenlängen von Ultraschallwellen sind klassische Methoden für die Vorwärtsrechnung, wie z.B. die Finite Elemente Methode (FEM), rechenintensiv. Eine Möglichkeit den Rechenaufwand zu reduzieren, bietet die Approximation der Wellenausbreitung mittels der semi-analytischen Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM). Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die benötigten Freiheitsgrade im Vergleich zur FEM wesentlich geringer sind [1].
Im Beitrag wird eine Optimierung basierend auf einem Gradientenverfahren in Kombination mit der SBFEM vorgestellt und an verschiedenen Schadenstypen in 2D-Querschnittsmodellen von Stahlplatten getestet. Der Gradient des Vorwärtsmodells wird durch Algorithmisches Differenzieren berechnet, wodurch eine genaue und schnelle Optimierung ermöglicht wird. Es werden Untersuchungen zum inversen Problem und das Finden einer geeigneten Zielfunktion präsentiert. Es wird verdeutlicht, dass der entwickelte Algorithmus robust gegenüber von Rauscheinflüssen ist. In diesen Untersuchungen werden zunächst „Messdaten“ aus unabhängigen Simulationen verwendet [2]. Erste Schritte für die experimentelle Validierung und Erweiterung auf 3D Modelle werden anschließend vorgestellt.
Zur Gewährleistung der Dauerhaftigkeit von Bauteilen sind regelmäßige Prüfungen notwendig. Für oberflächennahe Risse wurde bereits das Potenzial von Flying-Spot-Untersuchungen gezeigt, bei denen das Messfeld mit einem Laserpunkt, z.B. mittels eines Laserscanners, abgerastert wird. Eine Beschleunigung der Messung durch die Verwendung von Laserlinien ist möglich, wobei die Detektierbarkeit von Rissen u.a. von ihrer Ausrichtung zur Scanrichtung abhängt. Zudem können bei stark gekrümmten Oberflächen, wie z.B. denen von Turbinenschaufeln oder Maschinenteilen mit einem einzelnen stationären Messaufbau nur ein Teil der Oberfläche mit aktiver Thermografie auf Risse untersucht werden da die begrenzte Tiefenschärfe der optischen Systeme (Laser und Kamera)die mechanischen Nachführung innerhalb des Schärfentiefe-Bereichs erforderlich macht.
Um eine vollständige Untersuchung der Oberfläche durchzuführen, sind daher mehrere Perspektiven notwendig. Die hier angewandte Laserthermografie erzeugt dabei die Relativbewegung durch die Manipulation des Prüfobjektes mit einem Roboterarm, welcher es erlaubt, komplexe Oberflächen abzuscannen. Es erfolgt ein systematisches Abfahren mit einer Laserlinie entlang zuvor geplanter Bahnen der gesamten erreichbaren Oberfläche. Da der Roboterarm das Prüfobjekt trägt, sind die eingesetzten Messsysteme unbeeinflusst. Die Bewegung des Prüfobjektes ist dabei mit vielen Freiheitsgraden möglich, was eine Optimierung für das Messproblem erlaubt. Es können unter anderem die Scangeschwindigkeit, Laserleistung, Laserspotgeometrie, Laserwellenlänge, Scanschema und Kamerabildrate variiert werden. Mithilfe der Positionsdaten des Roboterarms kann jedem Punkt auf dem Prüfkörper ein Temperaturverlauf zugeordnet werden, um einen ortsaufgelösten Temperaturverlauf zu erzeugen. Das Ziel ist es, die oberflächennahen Defekte zu detektieren und deren Position auf der Oberfläche des 3D Models positionsgenau darstellen zu können.
In diesem Vortrag werden die Ergebnisse zur robotergestützten Thermografie an unterschiedlichsten Prüfkörpern vorgestellt. Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden werden erläutert und aktuelle Herausforderungen auf der Hard- und Softwareseite für den praktischen Einsatz diskutiert.
Für die aktive Thermografie als zerstörungsfreie Prüfmethode galt lange Zeit die Faustformel, dass die Auflösung interner Defekte/Inhomogenitäten auf ein Verhältnis von Defekttiefe/Defektgröße ≤ 1 beschränkt ist. Die Ursache hierfür liegt in der diffusiven Natur der Wärmeleitung in Festkörpern. Sogenannte Super-Resolution-Ansätze erlauben seit Kurzem die Überwindung dieser physikalischen Grenze um ein Vielfaches. Damit ergibt sich die attraktive Möglichkeit die Thermografie von einem rein oberflächensensitiven Prüfverfahren hin zu einem Verfahren mit verbesserter Tiefenreichweite zu entwickeln. Wie weit diese Entwicklung getrieben werden kann, ist Gegenstand aktueller Forschung. Wir konnten bereits zeigen, dass diese klassische Einschränkung für ein- und zweidimensionale Defektgeometrien überwunden werden kann, indem das Prüfobjekt mit einzelnen Laserspots sequenziell strukturiert beleuchtet wird und damit anschließend aus den resultierenden Messdaten durch Anwendung photothermischer Super-ResolutionRekonstruktion eine Defektkarte berechnet werden kann, welche eine deutlich verbesserte Trennung einzelner naheliegender Defekte erlaubt. Dieses Verfahren profitiert dabei im Ergebnis stark von der Kombination von sequenzieller räumlich strukturierter Beleuchtung und modernen numerischen Optimierungsverfahren, was jedoch in Summe stark auf Kosten der experimentellen Komplexität geht. Dies führt im Gegensatz zur Anwendung von etablierten thermografischen Standardverfahren mit vollflächiger Beleuchtung zu langen Messzeiten, großen Datensätzen und langwieriger numerischer Auswertung. In dieser Arbeit berichten wir über die Anwendung vollflächig räumlichstrukturierter zweidimensionaler Beleuchtungsmuster, welche es durch den Einsatz modernster Laserprojektortechnik in Verbindung mit einem Hochleistungslaser überhaupt erst erlaubt, eine effiziente Umsetzung von photothermischer Super-ResolutionRekonstruktion auch für größere Prüfflächen zu erreichen.
Als bildgebendes und zerstörungsfreies Verfahren eignet sich die Röntgen-Computertomographie (CT) insbesondere bei der Untersuchung von Kunst- und Kulturgütern. Die für Werkstoffprüfung und Materialanalyse konzipierten CT-Anlagen bieten dank hoher Röntgenleistung die Möglichkeit zusätzlich zu Holz, Keramiken und Kunststoffen auch stark schwächende Materialien, wie bspw. Metalle, zu durchdringen. Für eine hohe räumliche Auflösung im unteren Mikrometerbereich (2-200µm) sorgen entsprechend ausgelegte CT-Anlagen. In der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) stehen mehrere solcher CT-Anlagen für unterschiedliche Fragestellungen sowie Probengrößen und - materialien zur Verfügung. Einige Beispiele aus den vergangenen Arbeiten der BAM veranschaulichen das große Potential dieser Untersuchungsmethode.
Da bei einer CT-Messung in der Regel das gesamte Untersuchungsobjekt erfasst und in ein digitales Volumenmodell überführt wird, eröffnet sich für Archäologen und Restoratoren die Möglichkeit Untersuchungen hinsichtlich Materialzusammensetzung, Erhaltungszustand und Herstellungstechnik am virtuellen Objekt vorzunehmen, ohne die Originalsubstanz zu beeinträchtigen. Gegenüber der klassischen Radiografie, bei der nur eine zweidimensionale Abbildung erreicht wird, bietet die CT-Untersuchung die Möglichkeit innenliegende Strukturen dreidimensional zu erfassen. Die notwendige Bestimmung der Objektoberfläche erlaubt zudem die Erstellung eines Oberflächenmodells des untersuchten Gegenstandes. Damit lassen sich unter anderem mechanische Simulationen (Belastung, Durchbiegung, Durchströmung) durchführen. Der erzeugte Datensatz kann somit auch zur Herstellung eines Replikats im 3D-Druckverfahren genutzt werden. Anhand der Untersuchung der Mandoline von Smorsone wird gezeigt, wie eine CT-Messung durchgeführt wird und wie in dem anschließend rekonstruierten 3D-Datensatz mittels Koordinatenmesstechnik Maße (Abstände, Wandstärken, Winkel) exakt ermittelt werden können.
Unternehmen der Prozessindustrie müssen neue Wege finden, um in einem sich wandelnden Umfeld erfolgreich zu überleben, und gleichzeitig flexiblere Wege der Produkt- und Prozessentwicklung finden, um ihre Produkte schneller auf den Markt zu bringen – insbesondere hochwertige, hochwertige Produkte wie Feinchemikalien oder Arzneimittel. Dies wird zukünftig durch Veränderungen in den Wertschöpfungsketten entlang einer potenziellen Kreislaufwirtschaft erschwert.
Anhand von Beispielen wird in diesem Vortrag ein möglicher ganzheitlicher Ansatz zur Digitalisierung und zum Einsatz maschineller Verfahren in der Produktion von Spezialchemikalien durch die Einführung integrierter und vernetzter Systeme und Prozesse skizziert.
Es wird auch auf die aktuelle Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 2027+“ eingegangen, die Ende 2021 erschienen ist. Im Zentrum dieser Roadmaps stehen Sensoren zur Erfassung von physikalischen und chemischen Messgrößen mittels spezifischer und unspezifischer Messverfahren, die zur Steuerung und dem besseren Verständnis von Prozessen dienen. Die Roadmap fasst die gemeinsame Technologie- und Marktsicht von Anwendern, Herstellern und Forschungs¬einrichtungen im Bereich Prozess-Sensorik in der verfahrenstechnischen Industrie zusammen. Digitalisierung und Nachhaltigkeit sind übergreifende Kernthemen der künftigen Entwicklung.
Der Vortrag stellt die Initiative QI-Digital vor, deren Ziel es ist, Lösungen für eine moderne, digitale Qualitätsinfrastruktur (QI) zu entwickeln. Dabei wird insbesondere auf den das praxisnahe Pilotprojekt der Qualitätssicherung in der additiven Fertigung eingegangen und aufgezeigt, wie digitale QI-Werkzeuge wie Smart Standards, digitale Zertifikate und Kalibrierscheine, eine QI-Cloud und der digitale Produktpass zu einer vernetzten und vertrauenswürdigen Qualitätssicherung beitragen.
Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) im Klärschlamm - Analytische Methoden und Grenzwerte
(2022)
Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) sind eine Gruppe von mehr als 4700 anionischen und kationischen anthrophonen Stoffen, die aufgrund ihrer inerten chemischen Stabilität und ihrer Widerstandsfähigkeit gegen den Abbau durch Hitze oder Säuren in einer Vielzahl von Produkten verwendet werden. Infolge der ständigen Verwendung, vor allem in Feuerlöschschäumen für die Luftfahrt, wurden in Tausenden von Industrie- und Militäranlagen kontaminierte Böden und Grundwasservorkommen gefunden. Aufgrund der ständigen Verwendung von fluorierten Konsumgütern haben sich jedoch auch Abwässer und Klärschlamm aus Kläranlagen als Quelle für die Kontamination der aquatischen Umwelt mit PFAS erwiesen. Infolge der strengeren Vorschriften und Beschränkungen, die in den letzten Jahren für die Verwendung langkettiger (≥C8) PFAS erlassen wurden, findet in der chemischen Industrie eine deutliche Verlagerung hin zur Herstellung kurz- (C4-C7) und ultrakurzkettiger (C1-C3) Alternativen statt. Mit der Novellierung der Klärschlammverordnung im Jahr 2017 hat der deutsche Gesetzgeber die Ausbringung von Klärschlamm auf landwirtschaftlichen Flächen verboten, und bis 2029/2032 wird die Ausbringung von Klärschlamm in der Landwirtschaft vollständig verboten sein. Während die Belastung der Umwelt mit organischen Schadstoffen wie PFAS, Pestiziden und Arzneimitteln nicht mehr erwünscht ist, muss Phosphor (P) aus Klärschlamm weiterhin zur Herstellung hochwertiger P-Dünger für eine Kreislaufwirtschaft genutzt werden. Derzeit können pflanzenverfügbare P-Düngemittel aus Klärschlamm/Abwasser mit verschiedenen Behandlungsmethoden hergestellt werden, darunter Fällung, Auslaugung und thermische Behandlung. Der Verbleib von PFAS bei der Auslaugung, Ausfällung und Behandlung von Klärschlamm und Abwasser ist jedoch noch weitgehend unbekannt.
Detektion von Mikroplastik
(2022)
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are a group of more than 4700 anionic and cationic anthrophonic substances which have been used extensively in a variety of products and industries due to their inert chemical stability and resistance to degradation by heat or acids. As a result of continuous use, mainly in aviation firefighting foams, thousands of industrial and military installations have been found to contain contaminated soil and groundwater resources. However, because of the continuous use of fluorinated consumer products, also effluents and sewage sludge from wastewater treatment plants (WWTPs) have been shown to be an important source of PFAS contamination into the aquatic environment. Resulting from recent stricter regulations and restrictions in the last years on the use of long chain (≥C8) PFAS, there is a significant shift in the chemical industry towards production of short (C4-C7) and ultrashort (C1-C3) chain alternatives. With the amendment of the Sewage Sludge Ordinance in 2017 the German legislation banned sewage sludge application on agricultural land, and by 2029/2032 sewage sludge will be completely prohibited from agricultural application. While environmental exposure of organic pollutants like PFAS, pesticides and pharmaceuticals are no longer desirable, phosphorus (P) from sewage sludge must still be used to produce high-quality P-fertilizers for a circular economy. Currently, plant-available P-fertilizers from sewage sludge/wastewater can be produced using a variety of treatment approaches including precipitation, leaching, and thermal treatment. However, the fate of legacy and emerging PFAS compounds during P leaching, precipitation and treatment from sewage sludge and wastewater is for the most parts still unknown.