Chemie und Prozesstechnik
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Während in einem konventionellen Ultraschallprüfkopf ein Kunststoffdämpfungskörper mit Kleber oder Öl an einen Piezoschwinger angekoppelt ist, werden als Hochtemperaturlösung feinporöse sintermetallische Dämpfungsmaterialien mit einer Flüssigglasankopplung eingesetzt. Um dabei das Sintermetall vor dem korrosiven Angriff der Glasschmelze zu schützten, wird am Dämpfungskörper gegenwärtig Gold- oder Platinfolie zeit- und kostenaufwendig appliziert.
In der aktuellen Arbeit wurde eine Methode zum Korrosionsschutz der sintermetallischen Oberfläche aus rostfreiem Stahl mittels Laser-Pulverauftragschweißen entwickelt. Im Laufe einer Schweißparameterstudie auf dem Substratmaterial aus massivem rostfreiem Stahl wurde die Eignung unterschiedlicher Auftragsmaterialien auf Nickel- und Kobaltbasis untersucht. Dabei wurde zunächst der Einfluss verschiedener Schweißparameter wie Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit und Pulvermenge auf die Auftragsqualität (Nahtform, Vermischungsgrad, Porosität) metallografisch bewertet. Anschließend wurden die aufgetragenen Schichten hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit getestet. Der Kontakt mit einer flüssigen Glasmischung bei 500 °C hat bei keiner der beschichteten Proben sichtbare Korrosionswirkung gezeigt. Als Resultat der Schweißparameterstudie haben sich besonders die nickelbasierten Pulver als gut geeignete Materialien für den Prozess gezeigt. Die identifizierten Schweißparameter wurden im nächsten Schritt erfolgreich an das sintermetallische Substrat angepasst.
Eine zentrale Aufgabe der zerstörungsfreien Prüfung und der Strukturüberwachung (engl. Structural Health Monitoring - SHM) mit Ultraschallwellen ist die Bewertung von Schäden in Bauteilen. In vielen Bauteilen, wie zum Beispiel platten- und schalenförmigen Strukturen, Rohrleitungen oder Laminaten, breitet sich der Ultraschall in Form geführter Wellen aus. Zwar haben geführte Wellen eine relativ große Reichweite innerhalb des Bauteils und ermöglichen so eine großflächige Prüfung, ihre multimodalen und dispersiven Eigenschaften erschweren jedoch die Analyse der vom Schaden kommenden Reflexionen. Eine Möglichkeit, die Messsignale zu interpretieren und die Schäden zu charakterisieren, ist deren Vergleich mit der Wellenausbreitung in einem digitalen Modell. Hierbei stellt sich die Aufgabe, den Schaden im digitalen Modell anhand der Messdaten zu rekonstruieren. Diese Rekonstruktion beschreibt ein inverses Problem, das mehrere Vorwärtsrechnungen braucht, um das Schadensmodell an die Messdaten anzupassen. Durch die kleine Wellenlänge von Ultraschallwellen sind klassische Vorwärtsmethoden wie die Finte Elemente Methode rechenintensiv, weshalb die Autoren die semi-analytische Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) benutzen, um den Rechenaufwand zu verringern. Im Beitrag wird ein inverses Verfahren basierend auf dem Automatischen Differenzieren in Kombination mit der SBFEM vorgestellt und an verschiedenen Schadenstypen in 2D-Querschnittmodellen von Wellenleitern getestet. In der präsentierten Vorstudie werden dafür „Messdaten“ aus unabhängigen Simulationen verwendet.
Eine zentrale Aufgabe der zerstörungsfreien Prüfung und der Strukturüberwachung (engl. Structural Health Monitoring - SHM) mit Ultraschallwellen ist die Bewertung von Schäden in Bauteilen. In vielen Bauteilen, wie zum Beispiel platten- und schalenförmigen Strukturen, Rohrleitungen oder Laminaten, breitet sich der Ultraschall in Form geführter Wellen aus. Zwar haben geführte Wellen eine relativ große Reichweite innerhalb des Bauteils und ermöglichen so eine großflächige Prüfung, ihre multimodalen und dispersiven Eigenschaften erschweren jedoch die Analyse der vom Schaden kommenden Reflexionen. Eine Möglichkeit, die Messsignale zu interpretieren und die Schäden zu charakterisieren, ist deren Vergleich mit der Wellenausbreitung in einem digitalen Modell. Hierbei stellt sich die Aufgabe, den Schaden im digitalen Modell anhand der Messdaten zu rekonstruieren. Diese Rekonstruktion beschreibt ein inverses Problem, das mehrere Vorwärtsrechnungen braucht, um das Schadensmodell an die Messdaten anzupassen.Durch die kleine Wellenlänge von Ultraschallwellen sind klassische Vorwärtsmethoden wie die Finte Elemente Methode rechenintensiv, weshalb die Autoren die semi-analytische Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) benutzen, um den Rechenaufwand zu verringern. Im Beitrag wird ein inverses Verfahren basierend auf dem Automatischen Differenzieren in Kombination mit der SBFEM vorgestellt und an verschiedenen Schadenstypen in 2D-Querschnittmodellen von Wellenleitern getestet. In der präsentierten Vorstudie werden dafür „Messdaten“ aus unabhängigen Simulationen verwendet.
In der Verbindungsklasse der per- und polyfluorierte alkylischen Substanzen (PFAS) werden über 5200 organische Verbindungen zusammengefasst. PFAS sind an mindestens einem Kohlenstoffatom vollständig fluoriert. Sie werden mit negativen Einflüssen auf die menschliche und tierische Gesundheit assoziiert, sind extrem persistent in der Umwelt und bioakkumulieren entlang von Nahrungsnetzen. Daher zählen PFAS zu den „emerging pollutants“. Gleichzeitig machen ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften sie für die Verwendung in diversen technischen Anwendungen attraktiv. Sie sind sowohl hydro- als auch lipophob und zeigen durch die starke C-F-Bindung hohe thermische wie chemische Beständigkeit.
Erste Regulierungen einiger PFAS in Kombination mit den technisch hervorragenden Eigenschaften erzeugt einen Innovationsdruck und führten zu einem enormen Anstieg in der Zahl der Substitutionsverbindungen. Auf Grund der steigenden Komplexität der Substanzklasse ist die Target-Analytik nicht in der Lage eine solche Vielfalt und Vielzahl an Analyten zu erfassen.
Für eine akkurate Erfassung der Belastungssituation durch PFAS, die Identifikation von PFAS-Hotspots und eine Bewertung von geeigneten Sanierungsmaßnahmen ist daher eine geeignete PFAS-Summenparameteranalytik notwendig.
Daher geben wir hier Einblicke in den aktuellen Stand der PFAS-Summenparameterentwicklung und präsentieren unsere neusten Ergebnisse zur Methodenentwicklung für die quantitative Analyse von PFAS als extrahierbares organisch gebundenes Fluor (EOF) in Umweltproben mittels hochauflösender Molekülabsorptionsspektrometrie (HR-CS-GFMAS). Hierfür optimierten wir die Extraktion von PFAS aus verschieden Feststoff-Matrizes bei zeitgleicher Abtrennung anorganischen Fluorids. Durch den Zusatz von Galliumsalz-Lösungen als modifier in der HR-CS-GFMAS kann Fluor indirekt sehr selektiv durch die in situ Bildung von GaF sehr nachweisstark (instrumentelle LOQ ~3 µg/L) quantifiziert werden.
Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS) sind eine Substanzklasse mit über 5200 Verbindungen. Aufgrund der Persistenz, Bioakkumulation in Nahrungsketten, Toxizität und der ubiquitären Verbreitung von PFAS zählen sie zu den „emerging pollutants“. Die PFAS-Analytik ist wegen den vielfältigen physikalisch-chemischen Eigenschaften und der sehr hohen Anzahl an PFAS eine große Herausforderung. Da es für viele Anwendungen noch ungewiss ist, welche PFAS verwendet werden, wie sie in die Umwelt gelangen und welche Transformations- bzw. Abbauprodukte entstehen, stoßen analytische Ansätze, die nur auf Einzelsubstanzen abzielen, hier an ihre Grenzen. Weiterhin wird die Analytik aufgrund der Substitution von bereits regulierten PFAS mit ständig steigenden Anzahlen an PFAS-Verbindungen in der Umwelt konfrontiert. PFAS-Summenparameter-Methoden, die ein nahezu vollständiges Abbild der PFAS-Belastungssituation wiedergeben, werden daher immer wichtiger. In unserer Studie haben wir die zwei meistverwendeten PFAS-Summenparameter, das adsorbierbare organisch gebundene Fluor (AOF) und das extrahierbare organisch gebundene Fluor (EOF), miteinander verglichen. Beide Summenparameter können zur Analyse mit entweder combustion-Ionenchromatographie (CIC) oder hochauflösender Molekülabsorptionsspektrometrie (HR-CS-GFMAS) gekoppelt werden. Hierbei diskutieren wir die Vor- und Nachteile sowohl von beiden Summenparameter- als auch beider Detektions-Methoden. Die Untersuchungen wurden mit Oberflächenwasserproben aus der Spree in Berlin durchgeführt. Neben AOF und EOF wurde auch der Gesamt-Fluorgehalt (TF) mit CIC sowie HR-CS-GFMAS bestimmt. Die Fluor-Massenbilanzierung zeigte, dass das Verhältnis AOF/TF höher als das Verhältnis EOF/TF war. Dabei machte der AOF 0.14–0.81% vom TF und der EOF 0.04–0.28% vom TF aus. Insgesamt war die neue EOF/HR-CS-GFMAS-Methode schneller, präziser und sensitiver als die bereits etablierte AOF/CIC-Methode. Beide Methoden sind vielversprechend für die zukünftige Überwachung von Umweltproben und bilden die Grundlage für mögliche Grenzwerte, die auf die Summe PFAS abzielen.
CASPAR - FKZ: 19F2178A "Plattform für die beweissichere und rückführbare Datennutzung im Bauwesen"
(2021)
Bestandsunterlagen von älteren Bauwerken sind oft nicht in ausreichendem Umfang verfügbar. Soll jedoch der Zustand von z.B. Gebäude oder Brücken bewertet werden, stellen Bestandsunterlagen die Grundlage dafür dar. Ansonsten muss die Bauweise des Bauwerkes kostenintensiv nachvollzogen und mit nachträglichen Untersuchungsverfahren bewertet werden.
Heute spielt die digitale Planung im Bauwesen eine immer größere Rolle und Bauvorhaben werden in sogenannten BIM Modellen (Building Information Modelling) geplant. Diese Daten müssen langfristig und manipulationssicher gespeichert werden.
In diesem Projekt erarbeiten wir die technologischen Grundlagen, um Daten effizient und sicher zu speichern. Wir erarbeiten eine digitale Schnittstelle, um Daten aus unterschiedlichsten Quellen sicher zusammenzuführen und Informationen semantisch zu verknüpfen. Um den Nachweis für die Nutzbarkeit unserer Technologie zu erbringen, entwickeln wir im Rahmen des beantragten Projekts eine prototypische objektbezogene Datenablage in Form eines Demonstrators, in die digitale Informationen einer realen Brücke überführt werden.
CASPAR - FKZ: 19F2178A "Plattform für die beweissichere und rückführbare Datennutzung im Bauwesen"
(2021)
Bestandsunterlagen von älteren Bauwerken sind oft nicht in ausreichendem Umfang verfügbar. Soll jedoch der Zustand von z.B. Gebäude oder Brücken bewertet werden, stellen Bestandsunterlagen die Grundlage dafür dar. Ansonsten muss die Bauweise des Bauwerkes kostenintensiv nachvollzogen und mit nachträglichen Untersuchungsverfahren bewertet werden.
Heute spielt die digitale Planung im Bauwesen eine immer größere Rolle und Bauvorhaben werden in sogenannten BIM Modellen (Building Information Modelling) geplant. Diese Daten müssen langfristig und manipulationssicher gespeichert werden. In diesem Projekt erarbeiten wir die technologischen Grundlagen, um Daten effizient und sicher zu speichern. Wir erarbeiten eine digitale Schnittstelle, um Daten aus unterschiedlichsten Quellen sicher zusammenzuführen und Informationen semantisch zu verknüpfen. Um den Nachweis für die Nutzbarkeit unserer Technologie zu erbringen, entwickeln wir im Rahmen des beantragten Projekts eine prototypische objektbezogene Datenablage in Form eines Demonstrators, in die digitale Informationen einer realen Brücke überführt werden.
Radiografische Simulationswerkzeuge wie aRTist, ScorpiusXLab, SimCT oder CIVA CT verwenden analytische Methoden und physikalische Monte-Carlo-Teilchentransportsimulationen, um die Interaktionsprozesse zwischen Röntgenstrahlung und Materie zu simulieren. Die berechneten Projektionen bilden anschließend unter Berücksichtigung einer definierten Scan-Trajektorie die Basis der Simulation einer röntgencomputertomografischen Untersuchung.
Für den erfolgreichen Einsatz der Computertomografie, sei es als zerstörungsfreie Prüfmethode oder beim dimensionellen Messen, ist es generell notwendig, bekannte Fehler- bzw. Abweichungsquellen des Messverfahrens auszuschließen oder zu reduzieren. Dabei hat sich gezeigt, dass die Auswahl der Messparameter und die Erfahrung des Anwenders direkten Einfluss auf das erzielbare Messergebnis einer computertomografischen Untersuchung nehmen. Es ist daher sinnvoll, die Parameterauswahl in einem virtuellen Simulationsaufbau vorher zu erproben und an die Messaufgabe anzupassen.
Neben der Optimierung von Messparametern finden radiografische Simulationswerkzeuge auch Anwendung für Machbarkeitsstudien und werden zur Schulung von Anwendern im Bereich der Röntgen-Computertomografie verwendet.
Radiografische Simulationswerkzeuge befinden sich in einem stetigen Wandel, beispielsweise durch die Entwicklung neuer Rekonstruktionsmethoden, durch Erweiterung von analytischen Modellen, durch Integration komplexer Trajektorien oder durch Berücksichtigung von prozessbedingten geometrischen Abweichungen. Im laufenden EMPIR-Projekt „AdvanCT“ entsteht deshalb ein „Good Practice Guide“ für die Simulationsumgebung aRTist. Ziel dieses Guides ist es, die mit steigender Komplexität verbundenen Einstiegshürden für Anwender von aRTist zu reduzieren, um damit einen praxisnahen Zugang zur virtuellen Computertomografie zu ermöglichen. Dabei werden anhand von praktisch nachvollziehbaren Beispielen die grundlegenden Mechanismen der Simulationsumgebung erklärt und ein strukturierter Leitfaden zur Simulation röntgencomputertomografischer Untersuchungen mit aRTist vermittelt.
In diesem Beitrag werden erste Auszüge des Guides sowie eine Übersicht der weiteren geplanten Themen für die anschließende Diskussion vorgestellt.
Die ZfP ist im Bauwesen bisher deutlich weniger reguliert (und auch akzeptiert) als in anderen Industriebereichen. Zum Beispiel gibt für die meisten Prüfverfahren weder Normen noch ein allgemein akzeptiertes Ausbildungs- und Zertifizierungssystem.
Dies hat auch Konsequenzen für die Digitalisierung. Im Gegensatz dazu wird im Bauwesen derzeit für viele Bereiche verbindlich ein neues Verfahren zur Unterstützung von Design, Planung, Herstellung und Betrieb eingeführt: BIM (Building Information Modeling). Der Vortrag beleuchtet das Spannungsfeld zwischen dem geringen Organisations- und Standardisierungsgrad und den neuen digitalen Möglichkeiten und stellt den neuen Arbeitskreis zur ZfP 4.0 im Bauwesen vor. Er beleuchtet auch, in welchen Bereichen die ZfP im Bauwesen von Entwicklungen aus „Industrie 4.0“ und der zerstörungsfreien Prüfung in anderen Anwendungsbereichen profitieren kann - z. B. bei Datenformaten, Datenarchivierung und Schnittstellen.
Monitoring von Mikroplastik
(2021)
Die ZfP ist im Bauwesen bisher deutlich weniger reguliert (und auch akzeptiert) als in anderen Industriebereichen. Zum Beispiel gibt für die meisten Prüfverfahren weder Normen noch ein allgemein akzeptiertes Ausbildungs- und Zertifizierungssystem.
Dies hat auch Konsequenzen für die Digitalisierung. Im Gegensatz dazu wird im Bauwesen derzeit für viele Bereiche verbindlich ein neues Verfahren zur Unterstützung von Design, Planung, Herstellung und Betrieb eingeführt: BIM (Building Information Modeling). Der Vortrag beleuchtet das Spannungsfeld zwischen dem geringen Organisations- und Standardisierungsgrad und den neuen digitalen Möglichkeiten und stellt den neuen Arbeitskreis zur ZfP 4.0 im Bauwesen vor. Er beleuchtet auch, in welchen Bereichen die ZfP im Bauwesen von Entwicklungen aus „Industrie 4.0“ und der zerstörungsfreien Prüfung in anderen Anwendungsbereichen profitieren kann - z. B. bei Datenformaten, Datenarchivierung und Schnittstellen.
In vielen Umgebungen, besonders bei hohen Temperaturen, korrosiven Umgebungen oder auf bewegten oder schlecht zugänglichen Flächen, kann die Temperatur nicht oder nur mit nicht akzeptablem Aufwand mit Berührungsthermometern gemessen werden. Diese Umgebungsbedingungen sind unter anderem in der chemischen Industrie, der Lebensmittel-, Metall-, Glas-, Kunststoff- und Papierherstellung sowie bei der Lacktrocknung anzutreffen. In diesen Bereichen kommen Strahlungsthermometer zum Einsatz. Der VDI-Statusreport zeigt typische Anwendungsfelder von nicht radiometrisch kalibrierten Wärmebildkameras und von radiometrisch kalibrierten Thermografiekameras. Um verlässlich mit spezifizierten Messunsicherheiten berührungslos Temperaturen zu messen, müssen die Strahlungsthermometer und Thermografiekameras nicht nur kalibriert, sondern radiometrisch und strahlungsthermometrisch umfassend charakterisiert werden. Auch die optische Materialeigenschaft, der spektrale Emissionsgrad und die Gesamtstrahlungsbilanz (Strahlung des Messobjekts und der Umgebung) sind bei der industriellen Temperaturmessung von großer Bedeutung. In den letzten Jahrzehnten ist dazu ein umfassendes technisches Regelwerk entstanden, das wir Ihnen mit diesem VDI-Statusreport vorstellen. Manche in den Richtlinien beschriebenen Kennwerte mögen abstrakt wirken. In diesem Statusreport zeigen wir an konkreten Beispielen, was diese Kenngrößen für die berührungslose Temperaturmessung bedeuten. Beispiele von Anwendungen zeigen, wo temperaturmessende Thermografiekameras und ausschließlich bildgebende Wärmebildkameras in der Praxis eingesetzt werden. Mit einer Analyse, welche Themen und Anwendungen derzeit besonders intensiv diskutiert werden, versuchen wir Trends für zukünftige Entwicklungen herauszuarbeiten.
Im Vorhaben SNELLIUS wurden in enger Zusammenarbeit der BAM mit den Firmen Accurion und SENTECH Instruments aufbauend auf der Norm DIN 50989-1 „Ellipsometrie - Teil 1: Grundlagen; Ellipsometry – Part 1: Principles“ insgesamt fünf Normenentwürfe erarbeitet, die fünf Modell-basierten Anwendungsfällen der Ellipsometrie entsprechen. Unter Berücksichtigung des neuartigen Modell-basierten Normungskonzepts wurde in den Normenentwürfen erstmals eine GUM- und DIN EN ISO/IEC 17025:2018 konforme Bestimmung bzw. Abschätzung der Messunsicherheit umgesetzt. Dies erforderte neben der textlichen Erstellung auch umfangreiche experimentelle Arbeiten bei den Firmen, Vergleichsversuche und komplementäre Modell- und Datenevaluierungen, da sowohl die verwendete ellipsometrische Hardware (unterschiedliche ellipsometrische Funktionsprinzipien) als auch die ellipsometrische Software (Modell-Randbedingungen, Fitalgorithmus) firmenspezifisch zum Teil sehr unterschiedlich sind. Hierbei mussten in einem Konsensprozess Lösungen gefunden werden, die die beiden deutschen Ellipsometer-Anbieter Accurion (Imaging-Ellipsometrie) und SENTECH Instruments (Mapping Ellipsometrie) gleichermaßen akzeptieren konnten und die zudem einen Transfer auf die Internationale Ebene (ISO Norm) ermöglichen, also vom Grundsatz her auch auf weitere Ellipsometerhersteller wie (J. A. Woollam Co., USA; SEMILAB, Ungarn; HORIBA, Japan) mit wieder anderen ellipsometrischen Funktionsprinzipien, Hard- und Softwarelösungen anwendbar sind. Die weitgehende Unabhängigkeit von ellipsometrischen Funktionsprinzipien, Hard- und Softwarelösungen wurde dadurch erreicht, dass normativ festgelegt wurde, dass die ellipsometrischen Größen PSI und DELTA im Sinne von DIN ENISO/IEC 17025 als Rohdaten fungieren.
Molekülmassenspektrometrie entwickelt sich weg von klassischer Target- hin zu Nontarget-Analytik. Elementmassenspektrometrie liefert hohe Ortsauflösung beim Element-Imaging und analysiert einzelne Zellen. Aufgrund der Fortschritte bei den Geräten für Timeof-Flight-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICPToF-MS) lässt sich das gesamte Periodensystem der Elemente in kurzen transienten Signalen quasi-simultan massenspektrometrisch erfassen.
Der Bedarf nach schnellen und kostengünstigen Analysemethoden in der (Trink-)Wasseranalytik steigt mit dem zunehmenden Eintrag pharmazeutisch aktiver Substanzen in die Umwelt.
Insbesondere die Kontamination mit Antibiotika erscheint neben ökotoxikologischen Effekten vor allem in Hinblick auf die Evolution resistenter Keime im Wasser besorgniserregend.
Wir berichten hier über die Entwicklung eines magnetpartikelbasierten Immunoassays (MBBA) zur Detektion des Breitbandantibiotikums Amoxicillin (AMX) in Wasserproben, der im Vergleich zum entsprechenden Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) eine wesentlich kürzere Analysendauer sowie einen breiteren Messbereich mit niedrigerer Nachweisgrenze aufweist. Das angewendete Assayprinzip ist dabei leicht auf weitere Analyten übertragbar und ermöglicht die Implementierung in einen Immunosensor.