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The damage mechanisms of metallic components produced by process laser powder bed fusion differ significantly from those typically observed in conventionally manufactured variants of the same alloy. This is due to the unique microstructures of additively manufactured materials. Herein, the focus is on the study of the evolution of creep damage in stainless steel 316L specimens produced by laser powder bed fusion. X-ray computed tomography is used to unravel the influence of the process-specific microstructure from the influence of the initial void distribution on creep damage mechanisms. The void distribution of two specimens tested at 600 °C and 650 °C is analyzed before a creep test, after an interruption, and after fracture. The results indicate that the formation of damage is not connected to the initial void distribution. Instead, damage accumulation at grain boundaries resulting from intergranular cracking is observed.
Laser powder bed fusion (PBF-LB/M) of metallic alloys is a layer-wise additive manufacturing process that provides significant scope for more efficient designs of components, benefiting performance and weight, leading to efficiency improvements for various sectors of industry. However, to benefit from these design freedoms, knowledge of the high produced induced residual stress and mechanical property anisotropy associated with the unique microstructures is critical. X-ray and neutron diffraction are considered the benchmark for non-destructive characterization of surface and bulk internal residual stress. The latter, characterized by the high penetration power in most engineering alloys, allows for the use of a diffraction angle close to 90° enabling a near cubic sampling volume to be specified. However, the complex microstructures of columnar growth with inherent crystallographic texture typically produced during PBF-LB/M of metallics present significant challenges to the assumptions typically required for time efficient determination of residual stress. These challenges include the selection of an appropriate set of diffraction elastic constants and a representative lattice plane suitable for residual stress analysis. In this contribution, the selection of a suitable lattice plane family for residual stress analysis is explored. Furthermore, the determination of an appropriate set of diffraction and single-crystal elastic constants depending on the underlying microstructure is addressed.
In-situ loading experiments have been performed at the Swiss Spallation Neutron Source with the main scope to study the deformation behaviour of laser powder bed fused Inconel 718. Cylindrical tensile bars have been subjected to an increasing mechanical load. At pre-defined steps, neutron diffraction data has been collected. After reaching the yield limit, unloads have been performed to study the accumulation of intergranular strain among various lattice plane families.
The presentation is divided in two parts. In the first part the significance of mechanical impacts as ignition source for hydrogen containing atmospheres is shown and recent results of a research project evaluating ignition probabilities under different conditions is presented. In the second part future challenges in the field of hydrogen safety are discussed. Finally, the German National Hydrogen Safety Alliance is introduced.
Die Einstufung von Hausmüllverbrennungsasche (HMVA) als gefährlich oder nicht gefährlich nach der Gefahreneigenschaft HP14 (ökotoxisch) ist nach wie vor umstritten, da es noch keine allgemein anerkannten Methoden zur Bewertung gibt. Wenn die Berechnungsregeln angewendet werden sollen angewendet werden sollen, sind Kenntnisse über die chemische Zusammensetzung von HMVA erforderlich. Informationen über die chemische Zusammensetzung von HMVA können mit einem Ansatz gewonnen werden, der auf der Gruppierung von Substanzen. Für HMVA können vier Stoffgruppen definiert werden: 1. elementare und legierte Metalle, 2. leicht wasserlösliche Stoffe, 3. schwer lösliche Stoffe und 4. Stoffe mit starken chemischen Bindungen. Elementares und legiertes Cu und Zn sind in der HMVA vorhanden und werden in der Regel als Nichteisenmetallfraktion zurückgewonnen, zumindest die größeren Partikel. Zn-Partikel, die kleiner als 1 mm sind, werden als H410 eingestuft, feine Partikel von Cu nur als H411. Die wasserlösliche Fraktion kann mit Standardauslaugungsmethoden quantifiziert werden Auslaugungsmethoden quantifiziert werden, z. B. bei einem Flüssigkeits-Feststoff-Verhältnis (L/S) von 2 oder 10 l/kg. Sowohl die Sulfate von Zn als auch von Cu gehören zu dieser Gruppe. In einer neueren Veröffentlichung wurde gezeigt, dass bei den oben genannten Metalle die ausgelaugte Menge weit unter dem Grenzwert von 1.000 mg/kg liegt, selbst wenn stöchiometrische Faktoren angewendet werden. Stoffgruppe 3 sind potenzielle H410-Stoffe. Dabei handelt es sich um Carbonate, Hydroxide und Oxide der betreffenden Elemente, die löslich sind in schwachen organischen Säuren wie Essigsäure löslich sind. Die Worst-Case-Stoffe der Gruppe 3, d. h. die Verbindungen mit den höchsten stöchiometrischen Faktoren, sind CuCO3xCu(OH)2 und ZnO. Stoffe mit starken chemischen Bindungen wie Silikate oder Sulfide sind nur löslich in starken Säuren (z.B. Königswasser) löslich und haben keinen Ökotoxizitäts-Gefahrencode. Das Mobilisierungsverhalten der relevanten Schwermetalle und damit der Gruppe der schwer schwerlöslichen Verbindungen kann mit der 4-stufigen sequenziellen Extraktion untersucht werden. Für die HP14 Einstufung könnte auch eine einstufige Extraktion ausreichend sein. Nur die Elemente Zn und Cu sind für die HP14-Einstufung der HMVA von Bedeutung, da die Feststoffgehalte aller anderen Schwermetalle unterhalb des Feststoffgehalte aller anderen Schwermetalle unter der Cut-Off-Grenze von 0,1 % liegen, selbst wenn man sie in chemischen Verbindungen mit stöchiometrischen Faktoren. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass HMVA in der Regel als nicht gefährlich einzustufen ist.
Hydrogen pressure vessels are among the most essential components for reliable hydrogen technology. Under current regulations, a mostly conservative strategy is employed, restricting the usage time of hydrogen pressure vessels without providing information on the real remaining lifetime. During the service life, pressure vessels are inspected periodically. However, no established method that can provide continuous monitoring or information on the remaining safe service life of the vessel. In this paper, we propose a sensor network for Structural Health Monitoring (SHM) of hydrogen pressure vessels where data from all sensors are collected and centrally evaluated. Specifically, we integrate three different SHM sensing technologies namely Guided Wave ultrasonics (GW), Acoustic Emission testing (AT), and distributed Fiber Optic Sensing (FOS). This integrated approach offers significantly more information and could therefore enable a transition from costly and time-consuming periodic inspections to more efficient and modern predictive maintenance strategies, including Artificial Intelligence (AI)-based evaluation. This does not only have a positive effect on the operational costs but enhances safety through early identification of critical conditions in the overall system in real-time. We demonstrate an experimental set-up of a lifetime test where a Type IV Composite Overwrapped Pressure Vessel (COPV) is investigated under cyclic loading instrumented with AT, FOS, and GW methods. We acquired data from the sensor network until the pressure vessel failed due to material degradation. The data collected using the three different SHM sensor technologies is planned to be evaluated individually, using data fusion, and AI. In the future, we aim to integrate the measurement setup into a hydrogen refueling station with the data stream implemented into a digital signal processing chain and a digital twin.
Metallbasierte additive Fertigungsverfahren werden zunehmend industriell zur Anfertigung von komplex geformten Komponenten eingesetzt. In diesem Zusammenhang ist das Laser-Pulverbettschweißen von Metall (PBF-LB/M) ist ein weitläufig genutztes Verfahren. Im PBF-LB/M-Prozess werden lagenweise aufgetragene Metallpulverschichten selektiv mittels eines Lasers aufgeschmolzen. Die Entstehung von internen Fehlstellen (bspw. Porosität, Lunker oder Risse) während des Fertigungsvorgangs stellt ein ernstzunehmendes Risiko für die Bauteilsicherheit und somit für die weitere industrielle Etablierung des Verfahrens dar. Die Entstehung von Fehlstellen hängt eng mit lokalen Änderungen der thermischen Historie des Bauteils zusammen. Mit Hilfe von thermografischen Kameras zur Prozessüberwachung kann die thermische Historie bereits während der Fertigung erfasst werden. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, die Entstehung von Fehlstellen anhand der thermografischen Daten vorherzusagen und somit potenziell Kosten für eine nachgelagerte Qualitätssicherung einzusparen.
In diesem Beitrag soll die Modellierung der Fehlstellenvorhersage anhand thermografischer Prozessdaten diskutiert werden. Hierbei liegt ein Schwerpunkt auf der Fragestellung, mit welcher Genauigkeit unterschiedliche Formen von Fehlstellen, im speziellen Anbindungsfehler und Keyhole-Porosität, auf lokaler Bauteilebene vorhergesagt werden können. Weiterhin werden verschiedenen Modelltypen aus dem Bereich des Maschinellen Lernens auf ihre Eignung für die Fehlstellenvorhersage verglichen. Ein weiterer zentraler Aspekt in diesem Zusammenhang ist die Untersuchung der Eingangsdaten des Modells auf ihre Relevanz für das Vorhersageergebnis.
Als Datengrundlage für die durchgeführten Untersuchungen dienen die Fertigungsprozesse von zwei identischen Haynes-282-Bauteilen (Nickel-Basislegierung), welche mit Hilfe einer im kurzwelligen Infrarotbereich arbeitenden Thermografiekamera überwacht wurden. Das Bauteildesign umfasste lokale Bereiche, in denen mit Hilfe einer Parametervariation die Entstehung von Fehlstellen forciert wurde. Um die Position und Größe der entstandenen Defekte zu quantifizieren, wurden beide Bauteile nach erfolgter Fertigung mittels Computertomografie (CT) geprüft. Im Rahmen der Datenvorbereitung für die Modellierung erfolgte eine Reduzierung der erhobenen Thermogramme zu physikalisch-interpretierbaren Merkmalen (bspw. Schmelzbadfläche oder Zeit-über-Schwellwert). Weiterhin erfolgte eine Registrierung der thermografischen Daten mit den Fehlstellen-Referenzdaten der CT, um eine exakte örtliche Überlagerung von thermischer Information und lokalem Fehlstellenbild zu erzielen. Zur Ermöglichung einer lokalen Fehlstellenvorhersage wurden die thermografischen Daten schichtweise in kleinteiligen Volumina angeordnet, welche als Eingangsgröße für die genutzten ML-Algorithmen dienten.
Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass sich die Porosität auf Bauteilschichtebene mit einer hohen Genauigkeit vorhersagen lässt. Eine Vorhersage der Porosität auf lokaler Bauteilebene erweist sich noch als herausfordernd. Die erprobten ML-Algorithmen zeigen vergleichbare Ergebnisse, obwohl ihnen unterschiedliche Modellierungsannahmen zugrunde liegen und sie variierende Komplexität aufweisen. Mit Hilfe der erzielten Erkenntnisse eröffnet sich die Möglichkeit, Rückschlüsse auf die gewählte Prozessüberwachungshardware und Datenvorverarbeitung zu ziehen und somit langfristig die Leistungsfähigkeit von Modellen zur Fehlstellenvorhersage zu verbessern.
Structural health monitoring of hydrogen pressure vessels using distributed fiber optic sensing
(2024)
We report on distributed fiber optic sensing-based monitoring of hydrogen composite overwrapped pressure vessels (COPV) to simultaneously increase the operational lifespan and mitigate maintenance costs. Our approach represents, to the best of our knowledge, the first application of distributed fiber optic sensing for COPV Type IV monitoring, where the sensing fibers are attached to the surface, rather than integrated into the composite material. Specifically, we attach an optical fiber of 50 m to the pressure vessel's surface, covering both the cylindrical and dome sections. We note that our fiber optic sensing technique relies on swept wavelength interferometry providing strain information along the entire length of the optical fiber with high spatial resolution even at the millimeter scale. When the vessel is pressurized, the sensing optical fiber shows a linear strain response to pressure at every position along the fiber. After thousands of load cycles, the vessel finally fails with the optical fiber detecting and precisely localizing the damage in the vessel’s blind dome area. Furthermore, we discuss the potential of state-of-the-art signal processing methods and machine learning for advancing predictive maintenance. This could reduce the number of regular inspections, mitigate premature maintenance costs, and simultaneously increase the vessel’s remaining safe service life. We believe that the structural health monitoring of hydrogen pressure vessels with fiber optic sensors can enhance trust in hydrogen technology contributing to the energy transition in the future.
Die thermische Historie beim additiven Aufbau von komplexen Realkomponenten und geometrisch primitiven Prüfkörpern unterscheidet sich signifikant. Daraus können Eigenschaftsunterschiede resultieren, die zu unterschiedlichem Materialverhalten führen können. In diesem Vortrag wird das Konzept repräsentativer Probekörper eingeführt, das eine Übertragung thermischer Historien von komplexen Geometrien auf einfache Geometrien ermöglicht und hierdurch zu einer besseren Vergleichbarkeit der Werkstoffeigenschaften führen soll.
Compound semiconductors (CS) are promising materials for the development of high-power electrical applications. They have low losses, can withstand high temperatures and can operate at very high voltages and currents. This makes them a key technology for the electrification of many high energy applications, especially electromobility and HVDC power lines.
The challenge with CS technology is that most of the process technology has to be developed anew to the high standards required by electronic applications. Today, compound semiconductors can be produced in thin layers on top of substrates fabricated from classical crystal growth processes that are already well established. A promising method for this is metal organic vapour phase epitaxy (MOVPE). With this method, many different compounds with semiconducting properties can be synthesized. Additionally, this process technology is a direct thin layer deposition method. Therefore, complex multilayer systems can be generated directly by the deposition process and without the need of doping after growing.
There are a number of critical defects that can originate from the deposition process of these thin film devices. Within this project, we intend to develop new correlative imaging and analysis techniques to determine defect types, to quantify defect size and number density, as well as to characterise defects for process optimisation.
We report here on the use of spectroscopic ellipsometry and imaging ellipsometry to investigate defects in several different compound semiconductor materials used in high-power electronic devices. The materials we investigated are β-Ga2O3, SiC, GaN, AlN, and AlGaN materials as well as oxidised SiC surfaces. All of these materials have their typical defects and require optimised measurement and analysis schemes for reliable detection and analysis. Spectroscopic ellipsometry is a highly sensitive method for determining the thicknesses and dielectric function of thin layers, yielding potentially a high number of microscopic properties. The combined method between ellipsometry and optical microscopy is called imaging ellipsometry and is especially powerful for the large amount of data it produces. We have analysed defects in SiC- and AlN-based thin film semiconductors as well as characterised the properties of different types of SiO2 layers created on top of SiC monocrystals. We developed ellipsometric models for the data analysis of the different semiconductor materials.
If the defects have geometric features, it is useful to combine the ellipsometric analysis with topometry method like interference microscopy and scanning probe microscopy. We have successfully characterised function-critical defects in MOVPE SiC layers and correlated the findings with topography from WLIM measurements. We have developed an imaging ellipsometric measurement methodology that allows to estimate the relative defect area on a surface by a statistical raw data analysis.
Compound semiconductors (CS) are promising materials for the development of high-power electrical applications. They have low losses, can withstand high temperatures and can operate at very high voltages and currents. This makes them a key technology for the electrification of many high energy applications, especially electromobility and HVDC power lines.
The challenge is that most of the process technology has to be developed specifically and tailored to the high standards required by electronic applications. Today, many different CS materials can be produced in thin layers on top of substrates fabricated from classical crystal growth processes that are already well established. A promising method for this is metal organic vapour phase epitaxy (MOVPE). This technology is a direct thin layer deposition method capable of producing complex multilayer systems directly from one deposition process without the need of doping after growing.
There are a number of critical defects that can originate from the deposition process when targeting electronic thin film devices. Within this project, we intend to develop new correlative imaging and analysis techniques to determine defect types, to quantify defect size and density, as well as to characterise defects for further process optimisation.
We report here on the use of spectroscopic and multispectral imaging ellipsometry to investigate defects in several different compound semiconductor materials used in high-power electronic devices. The materials we investigated are β-Ga2O3, SiC, GaN, AlN, and AlGaN as well as oxidised SiC. All of these materials have their typical defects and require optimised measurement and analysis schemes for reliable detection and analysis. Spectroscopic ellipsometry is a highly sensitive method for determining the thicknesses and dielectric function of thin layers, yielding potentially a high number of microscopic properties. The combined method between ellipsometry and optical microscopy is known as imaging ellipsometry and is especially powerful for the large amount of data it produces. We have analysed defects in SiC- and AlN-based thin film semiconductors as well as characterised the properties of different types of SiO2 layers created on top of SiC monocrystals. We developed ellipsometric models for the data analysis of the different semiconductor materials.
If the defects have geometric features, it is useful to combine the ellipsometric analysis with topometry methods like interference microscopy and scanning probe microscopy. We have successfully characterised function-critical defects in MOVPE SiC layers and correlated the findings with topography from WLIM measurements. We have developed an imaging ellipsometric measurement methodology that allows to estimate the relative defect area on a surface by a statistical raw data analysis.
Development of representative test specimens by thermal history transfer in laser powder bed fusion
(2024)
The use of components manufactured by laser powder bed fusion (PBF LB/M) and subjected to fatigue loading is still hampered by the uncertainty about the homogeneity of the process results. Numerous influencing factors including the component’s geometry contribute to the risk of process instability and resulting inhomogeneity of properties. This drastically limits the comparability of different built parts and requires expensive full component testing. The thermal history as the spatiotemporal temperature distribution has been identified as a major cause for flaw formation. Therefore, it can be hypothesized that a similar thermal history between components and test specimens enhances their comparability. Following this assumption, a strategy is developed to transfer the intrinsic preheating temperature as a measure of comparability of thermal histories from a region of interest of a complex component to a simple test specimen. This transfer concept has been successfully proved by the use of FEM-based macroscale thermal simulations, validated by calibrated infrared thermography. An adoption of the specimen manufacturing process by the adjustment of the inter layer times was established to manufacture specimens which are representatives of a specific region of a large-scale component in terms of the thermal history similarity criterion. The concept is schematically illustrated in Figure 1 and was demonstrated using a pressure vessel geometry from the chemical industry.
Ellipsometry as optical metrology method for analysis of reference materials for nanoelectronics
(2024)
Electrical properties of materials at the nanoscale can be characterized using scanning microwave microscopes (SMM) and conductive atomic force microscopes (C AFM). However, the measurement results are difficult to compare since different setups and different reference standards are used. The development of new “out-of-lab” reference standards can contribute to the traceability and reliability of these scanning probe microscopy methods (SPM) and facilitate their broader industrial application.
In this study, we discuss the capability of optical methods such as ellipsometry for the characterization of existing and the development of new reference calibration samples for scanning microwave microscopy. Ellipsometry is a fast and non-destructive method, which enables very accurate determination of the layer thickness and the dielectric functions of the materials. Imaging ellipsometry is suitable for spatially resolved measurements when analyzing thin layers in microstructured samples.
We show how the electrical resistivity of indium tin oxide (ITO) layers in newly designed resistive calibration samples can be obtained from spectroscopic ellipsometric measurements. The extension of the measurement range into the mid-infrared region was necessary when analyzing ITO layers with low conductivity. This parameter was obtained by fitting a Drude function describing the absorption of the free carriers. The impact of the coating process conditions on the layer properties is discussed.
Imaging ellipsometry was applied for the characterisation of thin ITO and SiO2 layers in microstructured resistive and capacitance calibration kits. The uncertainties of determined layer thicknesses were specified according to standardized practice guides used in ellipsometry. We show how statistical fingerprint analysis of the measured ellipsometric transfer quantities can be used to validate the quality of potential reference materials for nano-electronics and to monitor the processing of structured samples.
Packages for the transport of spent nuclear fuel are designed to endure severe accidents. To obtain approval, these transport packages must adhere to the specification-based criteria of the international transport regulations SSR-6 of the International Atomic Energy Agency (IAEA). To ensure compliance with these requirements, specific mechanical and thermal tests need to be addressed with respect to the package type. Typically, SSR-6 prescribes a mechanical test followed by a thermal fire test as part of different testing scenarios. To approve the latter test of the sequence, BAM performs calorimeter tests in advance with so-called fire reference packages for characterizing the actual fire and its impact on the package to be tested. Packages are designed with different geometry sizes depending on their purpose. For previous tests, the implemented test setups in the fire test stand were sufficiently dimensioned and could cover all requirements in this respect. However, to cover additional testing needs in the future, BAM is expanding the test setup for the purpose of testing significantly larger packages.
In previous test setups one ring burner for propane surrounding the test specimen was sufficient. The limiting size in this configuration was the design height of the transport package to be tested. According to the thermal test of the IAEA-Regulations [1], a 30-minute fully engulfing 800°C pool fire or an equally severe fire, e.g., propane gas fire, must be applied to the transport package. Possible adjustments such as nozzle cross-section and propane mass flow can be adjusted to a certain extent. Further modifications, to cover significantly higher and larger packages all-around with a fully engulfing fire, must be accomplished with an additional, second burner ring. Both burner rings had the same dimensions and were mounted on top of each other at different heights to create a significantly larger volume of fire that completely engulfs the package including its impact limiter.
To meet the IAEA regulatory boundary conditions, the enhanced fire test stand with the second burner ring is tested with a large fire reference package and will then be used for real-size transport packages after all parameters are successfully met. This fire reference package represents the external geometry of a generic transport cask for radioactive material and is equipped with numerous temperature sensors to record temperature curves at the interior wall surfaces.
As industries move for ever faster development and adoption cycles of emerging new technologies in the field of welding, the meticulous and longer-winded approach of the scientific research process can feel harder to integrate. To help bridge this gap and increase the speed, quality, and adoption rate of publicly funded research, the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) continues to work towards enabling scientists with direct access to necessary software tools and - in the future – highest quality welding research reference data to further foster collaborations.
On the experimental side, the arc welding group at BAM division 9.3 “welding technologies” is continuing to expand and upgrade its capacities of robotic welding systems with integrated state of the art sensor technologies and software solutions. This allows all experiments to be recorded and measured in micro-millimeter accuracy and at sub-millisecond precision, including welding process data, complete spatial geometry and temperature measurements, process video recordings and more. The custom software-based solutions and interfaces allow scaling of the welding systems from large thick plate offshore applications to small additive repair weldments in wind turbine blades to multi-hour continuous weldments in additive manufacturing applications. In addition to the data gathered during the welding process itself, the relevant testing results and materials properties produced at BAM or externally can be integrated seamlessly. This allows detailed traceability of all results back to the actual welding process.
Regardless of the scope and application, complete datasets can be made accessible for research or industry partners in the highest resolution based on the open source WelDX (welding data exchange) file format.
Figure 1. Welding experiment representation including dynamic process data, cross-section imaging and hardness measurements from a single weldx file.
The talk will give an overview of the experimental facilities and workflows as well as current software developments with a focus on research data quality assurance, traceability, and accessibility.
Based on the integration into latest research trends and activities of the “welding technologies” division, the path to publishing reference datasets for arc welding process for various applications and materials is outlined and discussed.
Although intense wildfire research has been done in the US and in Australia, it cannot be transferred directly to the situation in Europe as the local vegetation has a significant influence on the fire spread. The EU-funded project TREEADS and the so-called German pilot within the project are concentrating on wildfire in Europe. Extensive experimental research is done on local vegeta-tion in Germany and the experimental results are used to adjust the Fire Dynam-ics Simulator (FDS) to local vegetation as a fuel in the calculations. The particle model and the boundary fuel model are developed for the simulation of forest fires. Both models require the kinetic input for the dehydration, pyrolysis, and char oxidation process. This three-step simplified model describes the basic fuel combustion kinetic. Most published simulations use the default kinetic input of pine needles from FDS user manual.
To adjust the simulation to local vegetation, the corresponding kinetic parame-ters have been experimental investigated. Samples of pine needles, moss and other falling leaves were collected, air dried and grinded into powder. The TG analysis of all these samples were done under different heating rate of 5, 10 and 20K/min.
The activation energy and the corresponding pre-exponential factor were calcu-lated. The results show that fire spread depends significantly on the vegetation and comparison with small scale experiments show good agreement using the new kinetic parameters. The new model is applied to a larger scenario and will be compared to the results of large-scale experiments for further validation of the model.
Um die Ausbreitungsmechanismen von Vegetationsbränden und besonders bei Bodenbränden besser zu verstehen, wurden die Einflussfaktoren auf die Brandausbreitung näher untersucht. Da die Brandausbreitung auch in starkem Maße von der lokalen Vegetation abhängt, war eine Charakterisierung der lokalen Vegetation und der Bodenverhältnisse wichtig. Die Wetterverhältnisse spielen einerseits im Vorfeld des Brandes durch längere Dürreperioden als auch während des Brandes, z.B. durch den Windeinfluss, zusätzlich eine große Rolle.
Durch die numerische Simulation kann eine größere Variation der Einflussgrößen abgebildet werden als durch die zeitlich und finanziell begrenzten experimentellen Möglichkeiten. Für die Berechnungen wird der Fire Dynamic Simulators (FDS) mit dem Paket WFDS verwendet. Dadurch kann mit einem vereinfachten 3-Phasen-Reaktionskinetikmodell, bestehend aus Dehydrierung, Pyrolyse, Kohleoxidation, die Ausbreitung von Vegetationsbränden verschiedener Waldbodenarten untersucht werden. Es wurden dazu 6 typische Pflanzenarten und Bodenproben aus Kiefern-, Buchen und Eichenbeständen ausgewählt.
Die gesammelten Waldbodenproben wurden alle hinsichtlich des Wassergehalts, des organischen Gehalts, der Packungsdichte, der Dichte und der statistisch ermittelten Pflanzenartenverteilung charakterisiert. Das kinetische Abbrandverhalten wurde durch Thermogravimetrische Analyse (TGA) untersucht. Alle diese Daten wurden als Eingabeparameter für die Simulation verwendet. Die numerischen Simulationen werden mit Experimenten im kleinen, mittleren und Real-Maßstab validiert.
Direct energy deposition additive manufacturing technologies that utilize an electric arc have great potential for generating large volume metal components. However, selecting process parameters that yield the desired near net shape design and requested mechanical component behavior is not a trivial task due to the complex relationship between all process parameters and material characteristics. This presentation exemplifies the application of a newly developed solid welding wire doped with TiB to enhance grain refinement in the deposited metal for additive manufacturing based on DED-Arc of high-strength precipitation hardening AlMgSi-aluminum alloys. It is worth noting that the solid wire is the result of our preliminary metallurgical studies on grain refinement in aluminum weld metal.
Consequently, research focuses on the correlation between process parameters and component quality to understand the underlying mechanisms. This is crucial for evaluating a robust process parameter space that yields component quality in line with corresponding standards which are mainly taken from welding technology.
Specifically, we examine component quality by analyzing pore size and distribution, as well as grain morphology. To enhance the mechanical properties of the deposited metal, a post-weld heat treatment was conducted, comprising of solution treatment, quenching, and artificial aging. The study also evaluates the effects of various heat treatment strategies on the final mechanical properties of the material.
To demonstrate the applicability of 3D metal printing of high-strength aluminium alloys, a more complex demonstrator was created. It has been shown that DED-Arc can produce high-volume aluminium parts with the same quality as the corresponding subtractive processing strategy.
Additionally, the entire additive manufacturing chain has been digitally integrated, enabling traceability of all relevant process steps, which is essential for reliable subsequent quality assessment.
Lecture-like introduction in the topic. Fundamental aspects are discussed: Burning of polymers, fire risks, pyrolysis, combustion in the flame, physical chemistry of ignition, flame spread and steady state burning, flame retardancy mechanisms and groups of flame retardants, fire hazards (smoke, toxic products) and environmental concerns, fire testing.
The manufacture of sintered glasses and glass-ceramics, glass matrix composites, and glass-bounded ceramics or pastes is often affected by un-expected gas bubble formation also named foaming. Against this background, in this presentation the main aspects and possible reasons of foaming are shown for completely different glass powders: a barium silicate glass powders used as SOFC sealants, and bioactive glass powders using different powder milling procedures.
Sintering and foaming were measured by means of heating microscopy backed up by XRD, differential thermal analysis (DTA), vacuum hot extraction (VHE), optical and electron microscopy, and infrared spectroscopy, and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS).
Different densification was reached followed by significant foaming starting partly immediately, partly at higher temperature. Foaming increased significantly as milling progressed. For moderately milled glass powders, subsequent storage in air could also promote foaming. Although the milling atmosphere significantly affects the foaming of uniaxially pressed powder compacts sintered in air.
VHE studies show that foaming is driven by carbon gases and carbonates were detected by Infrared spectroscopy to provide the major foaming source. Carbonates could be detected even after heating to 750 °C, which hints on a thermally very stable species or mechanical trapping or encapsulating of CO2. Otherwise, dark gray compact colors for milling in isopropanol indicate the presence of residual carbon as well. Its significant contribution to foaming, however, could not be proved and might be limited by the diffusivity of oxygen needed for carbon oxidation to carbon gas.
Introduction: Effective disinfection is crucial to maintain hygiene and to prevent the spread of infections. Phenotypic heterogeneity in disinfection survival (i.e. tolerance) may result in failure of disinfection, which in turn may foster the evolution of resistance to both disinfectants and antibiotics. However, the consequences of phenotypic heterogeneity for disinfection outcome and resistance evolution are not well understood. Goal: This study investigates the impact of phenotypic heterogeneity on the survival and evolution of Escherichia coli during disinfection with six commonly used substances. Furthermore, the consequences of evolved disinfectant tolerance for antibiotic resistance evolution are studied. Materials & Methods: The extent of population heterogeneity during disinfection is derived by determining time-kill kinetics and analysis with mathematical modelling. The link between population heterogeneity and evolvability of disinfectant tolerance was assessed by laboratory evolution experiments under periodic disinfection. The ability of disinfectant tolerant strains to evolve antibiotic resistance is assessed by serial transfer experiments with increasing concentrations of different antibiotics and by whole genome sequencing. Results: Multi-modal time-kill kinetics in three of the six disinfectants suggest the presence of disinfectant-tolerant subpopulations (i.e. persister cells). Importantly, the ability and extent to evolve population-wide tolerance under periodic disinfection is related with the presence of persister cells and the level of phenotypic heterogeneity during disinfection. Interestingly, the probability of high-level resistance evolution to certain antibiotics is attenuated in disinfectant tolerant strains as compared to the sensitive ancestor. Whole-genome sequencing reveals epistatic interactions between disinfectant tolerance and antibiotic resistance mutations, preventing access to canonical evolutionary paths to resistance. Summary: Our findings suggest that phenotypic heterogeneity can facilitate disinfection survival and the evolution of population wide tolerance, which can impact future antibiotic resistance evolution.
Up to now, oriented surface crystallization phenomena are discussed controversially, and related studies are restricted to few glasses. For silicate glasses we found a good correlation between the calculated surface energy of crystal faces and oriented surface nucleation. Surface energies were estimated assuming that crystal surfaces resemble minimum energy crack paths along the given crystal plane. This concept was successfully applied at the Institute of Physics of Rennes in calculating fracture surface energies of glasses. Several oriented nucleation phenomena can be herby explained assuming that high energy crystal surfaces tend to be wetted by the melt. This would minimize the total interfacial energy of the nucleus. Furthermore, we will discuss the evolution of the microstructure and its effect on the preferred crystal orientation.
We investigated the phase transformations during butt-welding of supermartensitic steel plates with help of Neutron-Bragg-Edge Imaging (NBEI). Gas tungsten arc welding (GTAW) was used with a motorized torch allowing for automated weldments. The austenitization in the heat affected zone (HAZ) could be clearly visualized at λ = 0.39 nm, a wavelength smaller than the Bragg edge wavelengths of both austenite and martensite. The re-transformation into the martensitic phase during cooling was clearly detected. However, we observed an unexpected additional change in transmission at λ = 0.44 nm, a wavelength larger than the wavelength of the Bragg edges of both the martensitic and austenitic phases. We attribute this change to the Deybe-Waller-Factor that describes the temperature dependence of coherent scattering at a crystal lattice. The observed two-dimensional attenuation map corresponds well with a temperature distribution modelling by software macros in ANSYS [3]. Here, the absolute temperature values could be achieved by calibrating the modelled attenuation with help of a thermocouple placed at the steel plate. This allows in return for a direct two-dimensional temperature reading based on the Debye-Waller-relation between neutron attenuation and sample temperature.
We developed a two-step semi-synthesis for the preparation of isotopically labeled EAs, starting from native EAs. This universal strategy enabled the successful synthesis of all isotopically labeled priority EAs. The structure of the isotopically labeled EAs was confirmed by HPLC-HR-MS/MS using native, unlabeled EAs as a reference standard. The next step will be the implementation of the isotopically labeled standards in the European standard procedure EN 17425 to improve the quantification of EAs in foodstuffs.
Bislang wird das Phänomen der orientierten Oberflächenkristallisation kontrovers diskutiert und entsprechende Studien beschränken sich auf nur wenige Gläser. Für Silikatgläser haben wir eine gute Korrelation zwischen der berechneten Oberflächenenergie von Kristallflächen und der orientierten Oberflächenkeimbildung gefunden. Die Oberflächenenergien wurden unter der Annahme abgeschätzt, dass die Kristalloberflächen bei der Keimbildung den Kristallebenen mit minimaler Energie entsprechen, denen ein Riss beim Bruch folgt. Dieses Konzept wurde am Institut für Physik in Rennes erfolgreich bei der Berechnung der Bruchflächenenergien von Gläsern angewandt. Mehrere orientierte Keimbildungsphänomene lassen sich dadurch erklären, dass man annimmt, dass Kristalloberflächen mit hoher Energie dazu neigen, von der Schmelze benetzt zu werden. Dies minimiert die gesamte Grenzflächenenergie des Keims. Darüber hinaus werden wir die Entwicklung der Mikrostruktur beim weiteren Kristallwachstum und ihre Auswirkungen auf die bevorzugte Kristallorientierung diskutieren.
Die metallische additive Fertigung hat in den letzten Jahren in der industriellen Fertigung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hierbei dominiert das Laser-Pulverbettschweißen von Metallen (PBF/LB-M) die Fertigung von kleinformatigen Bauteilen mit hoher Oberflächengüte. Die anspruchsvolle und kostspielige Qualitätssicherung stellt aber weiterhin ein Hindernis für eine breitere und kostengünstigere Anwendung der additiven Fertigung dar. Dies resultiert teilweise aus fehlenden zuverlässigen In-situ-Monitoringsystemen. Belastbarere Prozessüberwachungsdaten würden eine oft erforderliche teure nachgelagerte Prüfung mittels Computertomografie entbehrlich machen. Die Aufzeichnung der thermischen Signaturen des Aufbauprozess mittels Thermografie-Kameras zeigen hier vielversprechende Ergebnisse. Eine Korrelation zu auftretender Porosität, Delaminationen und Deformationen scheinen möglich. Die geringe räumliche Auflösung und die hohen Anschaffungskosten für thermografische Kamerasysteme stehen jedoch einer größeren industriellen Nutzung im Wege.
Ein bereits industriell angewendeter Ansatz zur in-Situ Überwachung des PBF-LB/M Prozesses ist die Optische Tomografie (OT). Hierbei wird die emittierte Prozessstrahlung jeder Bauteilschicht mittels einer hochauflösenden günstigen Kamera für den sichtbaren Wellenlängenbereich in einer Langzeitbelichtung dokumentiert. Die zeitliche Information der emittierten Strahlung geht hierbei verloren. Der gesamte Bauprozess kann jedoch in einem vergleichsweise kleinen Datensatz dokumentiert werden (ein Bild pro Schicht). Eine direkte Korrelation zu auftretenden Defekten gestaltet sich aufgrund der reduzierten thermischen Informationsdichte jedoch schwierig.
In diesem Beitrag soll deshalb das Prinzip der Multispektralen Optischen Tomografie (MOT) vorgestellt und erste Messergebnisse an der Forschungsanlage SAMMIE diskutiert werden. Bei der MOT handelt es sich um eine Übertragung des Prinzips der Quotientenpyrometrie auf das etablierte Verfahren der Optischen Tomografie. Die auftretende Prozessstrahlung wird in mehreren Wellenlängenbereichen ortsaufgelöst über die gesamte Bauplattform erfasst und zeitlich in einer Langzeitbelichtung integriert. Hierbei kommen günstige Kamerasysteme für den sichtbaren Wellenlängenbereich zum Einsatz.
Das erfasste Signal I jedes Bildpixels für jeden separat erfassten Wellenlängenbereich kann als Maß für das zeitliche Integral der spezifischen Ausstrahlung M des Schmelzbades in diesem Wellenlängenbereich gesehen werden. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz hängt die abgestrahlte thermische Leistung P eines idealen Schwarzen Körpers in der vierten Potenz von dessen absoluten Temperatur T ab. Wird nur, wie z.B. bei der klassischen OT angewendet, der nahinfrarote Wellenlängenbereich betrachtet, lässt sich mit dem Planck’schen Strahlungsgesetz sogar eine Proportionalität zur siebten Potenz der Temperatur zeigen. Deshalb liegt ein starker Einfluss der maximal auftretenden Oberflächentemperatur Tmax auf das erfasste Messsignal vor.
Das erfasste Signal I wird aber auch durch die spektrale Transmission τ der verwendeten optischen Komponenten des Kamera-Setups, z.B. Filter und Objektive, durch die spektrale Sensitivität S der verwendeten Kamera-Sensoren und den nur sehr schwer zu bestimmenden Emissionsgrad ε der emittierenden (flüssigen) Oberfläche beeinflusst.
In einer ersten Näherung wird das Schmelzbad hier als Graukörper, also ein Körper mit wellenlängenunabhängigem Emissionsgrad ε, betrachtet. Basierend auf dieser Annahme und vermessenen optischen Eigenschaften des verwendeten Systems ist es möglich, eine erste Schätzung der maximalen Oberflächentemperatur Tmax vorzunehmen, selbst ohne genaue Kenntnis des tatsächlichen Emissionsgrades ε. Dies wird durch die Anwendung des Planck‘schen Strahlungsgesetzes und die Quotienten Bildung aus den einzelnen erfassten Signalen I ermöglicht.
Auch bei diesem Verfahren geht die zeitliche Information einer Schicht, also das Aufwärm- und Abkühlverhalten des Schmelzbades, verloren. Zudem sind die Messergebnisse in Hinblick auf tatsächlich gemessene „maximal auftretende Oberflächentemperatur“ mit gebotener Zurückhaltung zu interpretieren. Trotzdem konnten erste Ergebnisse bereits zeigen, dass die MOT-Daten auch in Bereichen mit Doppelbelichtungen (das teilweise notwendige mehrfache Scannen eines Bereiches mittels des Fertigungslasers) im Gegensatz zur klassischen OT erwartbare Maximaltemperaturen liefern. Abbildung 1 zeigt das erfasste Messergebnis für drei aufeinanderfolgende Schichten eines Bauteils einmal mit MOT (links) und einmal mit einfacher OT (rechts). Deutlich zu erkennen ist das durch die doppelte Belichtung hohe Signal bei der OT. Die Daten der MOT zeigen hier keine erhöhten Werte.
Um die ermittelten Temperaturwerte mittels MOT besser einordnen zu können, sind u.a. vergleichende Messungen an Referenzmaterialien geplant. Um die Auswertung der gemessenen Daten zu verbessern, wird zudem der Zeitverlauf des Abkühlens und Aufheizens des Schmelzbades sowie die Einflüsse von Prozessbeiprodukten wie Schmauch und Spritzer näher untersucht. Auch werden Messungen zum Emissionsgrad ε an additiv gefertigten Proben und Metallschmelzen vorgenommen.
Im additiven Fertigungsprozess Laser-Pulverbettschweißen wird Metallpulver lagenweise mittels eines Lasers aufgeschmolzen, um Bauteile zu generieren. Hierbei werden die Eigenschaften der Bauteile zu einem großen Teil durch die im Verlauf des Prozesses vorliegenden Temperaturen bestimmt. Dies beinhaltet unter anderem Materialeigenschaften wie Mikrostruktur, Härte, thermische und elektrische Leitfähigkeiten sowie die Ausbildung von Defekten wie z.B. Anbindungsfehler, Keyhole-Porosität (Gaseinschlüsse) oder auch die Ausbildung von Rissen. Zur Überwachung bzw. Vorhersage dieser Eigenschaften sowie zum Abgleich von Simulationen ist eine orts- und zeitaufgelöste Messung der Temperaturverteilung im Prozess daher von herausragender Bedeutung. In der Industrie kommen optische Verfahren, die auf der Messung der thermischen Strahlung basieren, regelmäßig zum Einsatz. Allerdings dienen diese bislang nur der statistischen Auswertung und der Identifikation von Abweichungen vom Normalprozess. Der quantitativen Auswertung zur Temperaturbestimmung stehen aktuell noch eine Vielzahl von Herausforderungen entgegen. Einerseits stellt der Prozess an sich hohe Anforderungen an die Datenerfassung und -auswertung: der Emissionsgrad verändert sich dynamisch im Prozess und lokale Schmauchbildung sorgt für potenzielle Absorption oder Streuung der thermischen Strahlung oder auch des Fertigungslasers. Weiterhin stellt der hochdynamische Prozess hohe Anforderungen an Orts- und Zeitauflösung der eingesetzten Sensorik (z.B. Kameratechnik). Andererseits erschweren an üblichen kommerziell erhältlichen Fertigungsanlagen praktische Hindernisse wie eine eingeschränkte optische Zugänglichkeit und der fehlende Zugriff auf die Anlagensteuerung sowie fehlende Möglichkeiten der Synchronisation der Messtechnik mit dem Prozess eine eingehende Untersuchung dieser Effekte.
Um letztere Hindernisse zu umgehen, wurde an der BAM die Forschungsanlage SAMMIE (sensor-based additive manufacturing machine) entwickelt. Einerseits bietet das System alle Möglichkeiten, die auch übliche kommerzielle Systeme bieten. Dies beinhaltet die Fertigung ganzer Bauteile (maximale Größe ca. 65mm x 45 mm x 30 mm) und den Einsatz einer Inertgasatmosphäre inkl. gefiltertem Schutzgasstrom. Andererseits bietet es aber auch einen besonders kompakten Bauraum, um die Sensorik möglichst nah an den Prozess führen zu können, sechs optische Fenster zur Prozessbeobachtung aus unterschiedlichen Winkeln und die Möglichkeit der Prozessbeobachtung koaxial zum Fertigungslaser. Des Weiteren besteht eine einfache Austauschbarkeit aller Fenster, Spiegel und Strahlteiler, um den gesamten optischen Pfad der aktuellen Messaufgabe flexibel anzupassen. Die komplette Anlagensteuerung ist eine Eigenentwicklung und bietet daher auch völlige Anpassbarkeit. Eine synchrone und frei konfigurierbare Triggerung diverser Sensoriken und synchrone Datenerfassung bieten maximale Kontrolle über die Sensorsteuerung.
Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Fertigungsanlage SAMMIE. Wissenschaftliche Ergebnisse sowie laufende Arbeiten an der Anlage werden in weiteren Beiträgen vorgestellt.
eavy-weight packages for the safe transport of radioactive material are equippedwith impact limiters often built ofwood-filled steel sheet structures to fulfil the requirements of the International Atomic Energy Agency (IAEA) regulations. The requirements definemechanical tests followed by a thermal test, including criteria ensuring the package design’s ability to withstand severe accidents and provide a high level of technical safety. Impact limiters are a package component mainly designed for the packages to withstand severe mechanical accident scenarios. In drop tests the impact limiters absorb the kinetic energy during impact of the package. The package must then - with its pre-damaged impact limiters - endure a thermal test defined precisely in the IAEA regulations as a 30-min fully engulfing 800 °C-fire. After the fire, a wood-filled impact limiter may continue to release thermal energy from an ongoing combustion process, defining relevant package temperatures. The energy flow from a possible burning impact limiter to the package is important for the safety evaluation of transport packages. To investigate the combustion behaviour of densely packed layers of spruce wood, encapsulated in pre-damaged cylindrical metal enclosures, a test set-up has been realised. The set-up consists of a combustion chamber to perform these tests under defined boundary conditions. The temperature development of the test specimens will be observed fromoutside with a thermographic imager, with HD-Cameras, and the mass loss will be measured during the entire test. Airflow conditions in the combustion chamber are analysed using Computational Fluid Dynamics (CFD) calculations in OpenFOAM. The planned combustion test setup is described.
Aspects of corrosion protection in the maritime sector– Focus of Current research of BAM for H2Mare
(2024)
Germany has set itself the task of becoming a world leader in the field of green hydrogen technologies and is promoting the transition to a hydrogen economy. The H2Mare flagship project is exploring the offshore production of green hydrogen and other power-to-X products. One of the most important goals is the safe and cost-efficient operation of offshore infrastructures, where a service life of at least 25 years is aimed at. However, the corrosive environment towards metallic materials presents challenges in marine areas. The atmosphere at one location could be affected by the distance to the sea level and does not have the same corrosivity for all exposed kinds of materials. The research of the durabilitty of different materials and corrosion protection systems by weathering campaigns and laboratory experiments aims to close this gap of knowledge. BAM‘s mandate is to make the data available to the responsible operators through standardisation to ensure safety and cost efficiency.
Any surface in the environment acts as hotspot for microbial attachment and activity. These biofilms represent the interface between humans and the environment.
While in the past biofilms were often seen as disturbance, we now start to understand the enormous potential of beneficial biofilms. They can be used in a broad range of applications and are sources for new microorganisms and traits. After all, biofilms represent a great example for a collaborative lifestyle.
Residual stress formation during repeated gouging and repair welding cycles of high-strength steels
(2024)
The construction of foundation and erection structures for wind power plants requires the use of modern, sustainable and resource-efficient high-strength fine-grained structural steels. Weld defects due to the welding process are unacceptable. To overcome this issue, local thermal gouging followed by re-welding is a common and cost-effective method. The high shrinkage restraint of the gouge by the surrounding structure can cause crack initiation when design and re-weld induced residual stresses are superimposed. This risk is intensified by the progressive degradation of the microstructure and mechanical properties of high-strength steels during the weld repair process.
This investigation focuses on high-strength steels S500MLO for offshore applications and S960QL for mobile crane applications. The reduction and development of residual stresses caused by local thermal gouging and re-welding was investigated. Digital Image Correlated (DIC) stress-strain analysis was performed during preheating, welding and cooling. The results of the global DIC analysis and local longitudinal and transverse residual stresses of the weld determined by X-ray diffraction were found to be in good agreement. Furthermore, different stress levels were identified during gouging and welding. Repeated repair cycles led to an increase of longitudinal and transverse residual stresses in the weld metal as well as a hardness increase in the heat affected zone.
Das Ausbreitungsverhalten geführter Ultraschallwellen ermöglicht die großflächige Prüfung von Platten und schalenförmigen Bauteilen wie Rohren und Laminaten auf Fehlstellen von wenigen Prüfpunkten aus. Während die beschränkte Divergenz der geführten Wellen die Ultraschallprüfung begünstigt, erschwert das dispersive und multimodale Verhalten der Lamb-Wellen die Auswertung der Ultraschallsignale. Die dispersive und multimodale Wellenausbreitung verkompliziert die Bestimmung der Fehlerposition bei der Auswertung der Geschwindigkeiten einzelner Wellenpakete. Zudem ist es herausfordernd, einen einfachen Zusammenhang zwischen den Reflexionen der Fehlstelle und deren Größe und Form herzustellen. Eine Möglichkeit zur genauen Bestimmung der Fehlerposition und -geometrie bietet der direkte Vergleich der Messsignale mit den Signalen aus einem Simulationsmodell. Die Nachbildung des Schadens im Simulationsmodell stellt ein inverses Problem dar, das iterativ gelöst werden kann, indem ein Vorwärtsmodell immer weiter optimiert wird. Klassische Ansätze wie die Finite Elemente Methode (FEM) sind für die Simulation von Ultraschallwellen aufgrund der kleinen Wellenlängen im Vergleich zur Bauteilgröße meist ineffizient. Aus diesem Grund basiert das vorgestellte Vorwärtsmodell auf der semi-analytischen Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM), die große Teile der Wellenausbreitung analytisch berechnet. In diesem Beitrag wird die Validierung des zweidimensionalen Modells an Platten mit einer rechteckigen Nut als Ersatzfehler präsentiert und es werden erste Schritte zur Validierung von 3D-Modellen vorgestellt.
This presentation provides an introduction and intermediate results of the Horizon-Europe STAR4BBS project.It focuses on how to maximize the potential of Sustainability Certification Schemes (SCS) and labels to support a successful transition to a sustainable bio-based economy by assessing their effectiveness, robustness, and credibility.
Trace elemental analysis in human serum is integral in both clinical and research settings. Analyzing the level of some specific elements like Se and Zn helps indicate the nutritional and health status. Furthermore, elucidating the roles of trace elements in various physiological and pathological conditions can shed light on disease mechanisms and potential treatments. Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) stands out as a preeminent method for trace elemental analysis, given its exceptional sensitivity and minimal sample requirements. However, ICP-MS has challenges, such as argon-related interferences that hinder the accurate quantification of elements like Ca, Fe, and Se. The naturally most abundant isotopes of Ca (40Ca), Fe (56Fe), and Se (80Se) are subject to isobaric interference from 40Ar+, 40Ar16O+, and 40Ar2+, thereby complicating their direct measurement and preventing isotope dilution analysis.
In response to these challenges, nitrogen microwave inductively coupled atmospheric pressure mass spectrometry (MICAP-MS) emerges as a viable alternative to ICP-MS, eliminating argon consumption and associated interferences. This study employed MICAP-MS to quantify Ca, Fe, and Se in 11 certified reference human serums using matrix-matched calibration and isotope dilution with the isotopes 40Ca, 56Fe, and 80Se. The results obtained with both methods were validated against certified values, and the suitability of MICAP-MS for isotope dilution was evaluated. Additionally, the performance of MICAP-MS in the Na matrix was investigated and discussed alongside the impact of organic species.
We present our approach and methodology for simulating piping erosion, which occurs during the installation process of suction bucket foundations for offshore wind turbines. We show several simulations and analyze the hydrodynamic and contact forces acting on the granular fabric and the differential pressure of the fluid phase. We demonstrate weak scaling performance on the LUMI supercomputer with a parallel efficiency of up to 90% for 4096 Graphics Compute Dies.
The Microplastic Microbiome
(2024)
Microplastics represent man-made and newly emerging surfaces in our ecosystems, where they interact with microorganisms. The ecosystem in focus of this presentation will be the aquatic environment. It will be portrayed, which microorganisms use microplastics as a habitat, how environmental factors shape this colonization, and why the biodegradation of plastics in the ocean is an overall unlikely process. We will also discuss whether potentially pathogenic microorganisms use microplastics as a raft. Finally, possible adaptation mechanisms of plastic-colonizing microorganisms will be presented, such as the production of photoreactive molecules. The microplastic microbiome has a large potential to harbor so far unknown species with curious traits, representing an exciting research topic for the future.
Die Transformation der Energienutzung von konventionellen zu erneuerbaren Quellen führt dazu, dass zukünftig mehr Energie effizient zwischengespeichert werden muss. Eine Möglichkeit der elektrochemischen Zwischenspeicherung bieten Lithium-Ionen-Batterien. Hierfür können ausgemusterte Automobilantriebsbatterien verwendet werden. Erfüllen sie die hohen Anforderungen des mobilen Bereichs nicht mehr, haben sie oftmals noch eine ausreichende Kapazität und Leistungsfähigkeit für die stationäre Zwischenspeicherung.
Neben der Verwendung der Batterien im größeren Maßstab, z.B. bei Energieversorgern, werden durch den vermehrten Einsatz von Photovoltaik-Anlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern verstärkt Zwischenspeicher für Privathaushalte nachgefragt. Dies birgt auch für Einsatzkräfte neue Herausforderungen in der Gefahrenabwehr.
Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt „SEE-2L – Sicherheit elektrochemischer Energiespeicher in Second Life Anwendungen“ wurden Versuche mit Second Life Modulen durchgeführt. Verbundpartner im Projekt waren neben der vfdb die Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Zudem war das Institut der Feuerwehr Nordrhein-Westfalen eingebunden.
Die durchgeführten Versuche bilden eine Grundlage für die Einordnung der Batteriespeicher, z.B. aus Sicht des baulichen Brandschutzes, zur Methodik der Brandbekämpfung oder zur Risikobewertung hinsichtlich der Prozess- und Anlagensicherheit.
Im Beitrag werden die Versuchsergebnisse vorgestellt und Ansätze für deren Anwendung gezeigt. Um die gewonnenen Erkenntnisse zu vermitteln, wurde im Projekt zudem ein Schulungskonzept für Einsätze mit Lithium-Ionen-Technologien erarbeitet, das im Beitrag präsentiert wird. Es besteht aus theoretischen und praktischen Anteilen, sodass bei den Feuerwehren praxisnah aus- bzw. fortgebildet werden kann.
Lithium-ion batteries are a key technology for tackling challenges in energy and climate crisis, but up to 30 % are discarded right after production. Quality is closely related to the homogeneity of the used materials and coatings. Fluorine compounds, both in the polymer and from degradation of the electrolyte, are of special interest for the formation and aging of LIBs. Glow-discharge optical emission spectroscopy (GD-OES) emerged as a fast and convenient method for depth-profiling of battery materials. However, fluorine remains a spectroscopic challenge due to a high excitation energy and only few strong emission lines in the UV/Vis spectral range.
We investigated the partial substitution of argon with neon in the plasma gas. The main emission line at 685.603 nm was monitored by both photo multiplier tube (PMT) with Czerny-Turner monochromator at 20 µm slit-size, and charge-coupled device (CCD) with 1200 lines/mm grating. For calibration, we used a set of hot-pressed copper cylinders with varying calcium fluoride amount fraction, ranging from 1.6 % to 4.4 %. Plasma gas mixtures with a mole fraction of 5 %, 10 % and 20 % neon in argon were used. Sensitivity in comparison to pure argon was increased by factor 4, 7 and 14, respectively. In general, PMT detection was more sensitive than CCD. As expected, sputter rates decreased with higher neon content in the plasma gas. Depth-profiling of the cathodes was performed in pulsed mode at constant voltage and pressure, which resulted in stable plasma conditions. We achieve matrix-independent quantitative information on fluorine distribution by correction based on sputter rates.
This advancement in GD-OES provides a more accurate analytical approach for evaluating the homogeneity of lithium-ion battery materials, potentially leading to more sustainable and cost-effective manufacturing processes.
To address the challenges of the climate crisis, multiple solutions for sustainable energy sources and storage systems are needed. One such solution is lithium-ion batteries (LIBs). Currently, 5 to 30 % of LIBs are discarded immediately after manufacturing. The homogeneous distribution of all materials used in the coating of cathodes and anodes is critical for the quality of LIBs. Furthermore, during formation i.e., the first steps of the charge/discharge cycling, the solid-electrolyte interphase forms on the anode particles, which has a huge impact on the performance. The same happens to some extent on the cathode, forming the cathode-electrolyte interphase. Fluorinated polymers and electrolytes are used in the manufacturing of LIBs. The electrolyte in particular is prone to degradation during formation and aging of the batteries. The interface of the cathode material with the aluminum current collector is also a critical point where degraded fluorine components cause pitting corrosion and at the same time promote passivation of the metal foil. Monitoring the spatial distribution of fluorine on these surfaces and interfaces is essential for sustainable LIB production.
In order to reduce global warming, the use of hydrogen as a renewable energy source is becoming more important. To enable this transition, unprecedently large amounts of hydrogen need to be safely transported and stored. Since hydrogen is usually stored and transported under pressure, one scenario to be considered is the release of hydrogen from a leakage with subsequent ignition. The resulting jet flame must be characterized with respect to the thermal radiation emitted into the environment to define safety distances. Various models that characterize the resulting flame shape and radiation already exist in the literature, but these are mainly based on empirical data from hydrocarbon jet flames. To verify the applicability of these models to hydrogen, real-scale tests are carried out at the BAM Test Site for Technical Safety (BAM-TTS) with the aim to assess the flame geometry and the emitted thermal radiation. Parameters such as leakage diameter (currently up to 30 mm), pressure (currently up to max. 250 bar) and mass flow (up to max. 0.5 kg/s) are varied. In particular, the focus will be laid on the measurement and modelling of the thermal radiation. The challenge here is the characterization of the flame geometry in an open environment and its impact on the thermal radiation. Existing heat radiation data from literature are mostly based on unsteady outflow conditions. The experimental setup used here allows for the generation of a steady-state outflow for several minutes and thus a direct comparability with existing (steady-state) models. Furthermore, stationary outflow tests with hydrocarbons (methane) were also carried out, which are intended to serve as reference tests for checking flame models based on hydrocarbon data. Following from the experimental investigations, modelling parameters such as the Surface Emissive Power (SEP) and the radiant heat fraction for hydrogen and methane will be compared to literature data.
Science Café Adlershof is having its next edition in 2024 on February 20th '24! We will have one speaker next week: Alexander Winckelmann is a PhD student at Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung and will give a talk about his stay abroad in Switzerland - there will be free chocolates! There will be enough time to ask questions or simply chat with the guests and participants.
Einleitend wird im Vortrag das Aktivitätsfeld Elektrische Energiespeicher und -umwandlung vorgestellt sowie eine kurze Einführung in die Terminologie der elektrischen Energiespeicher gegeben. Im Folgenden wird das BMBF-Vorhaben SEE-2L vorgestellt. Hier wird der Schwerpunkt auf die Entwicklung und den Aufbau eines Großversuchsstand für das thermische Durchgehen von Lithium-Batterien auf Modul- und Batterieebene gelegt. Darüber hinaus werden die Ergebnisse einer ersten Versuchsserie vorgestellt. Zum Abschluss wird ein kurzer Ausblick zu weiteren anstehenden Versuchen gegeben.
Second Life Verwendungen - Untersuchungen und erste Erfahrungen mit einem Ausbildungsdemonstrator
(2024)
Der Vortrag gibt zunächst einen Themeneinstieg in den Bereich der Second-Life-Batterien sowie rechtliche und technische Grundlagen zu Lebenszyklus und Alterung. Im Weiteren werden experimentelle Ergebnisse aus Versuchen zum thermischen Durchgehen mit Batteriemodulen aus dem BMBF-Vorhaben SEE-2L vorgestellt. Darüber hinaus wird ein eigens entwickelter Ausbildungsdemonstrators vorgestellt, welcher einen wesentlichen Baustein des Ergebnistransfers aus dem Vorhaben darstellt.