Wissenschaftliche Artikel der BAM
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Most knowledge about the structure, function, and evolution of early compound eyes is based on investigations in trilobites. However, these studies dealt mainly with the cuticular lenses and little was known about internal anatomy. Only recently some data on crystalline cones and retinula cells were reported for a Cambrian trilobite species. Here, we describe internal eye structures of two other trilobite genera. The Ordovician Asaphus sp. reveals preserved crystalline cones situated underneath the cuticular lenses. The same is true for the Devonian species Archegonus (Waribole) warsteinensis, which in addition shows the fine structure of the rhabdom in the retinula cells. These results suggest that an apposition eye with a crystalline cone is ancestral for Trilobita. The overall similarity of trilobite eyes to those of myriapods, crustaceans, and hexapods corroborates views of a phylogenetic position of trilobites in the stem lineage of Mandibulata.
In this paper we report on the characterization by X-ray computed tomography of calcium phosphate (CaP) and polycaprolactone (PCL) coatings on Ti-6Al-4V alloy scaffolds used as a material for medical implants. The cylindrical scaffold has greater porosity of the inner part than the external part, thus, mimicking trabecular and cortical bone, respectively. The prismatic scaffolds have uniform porosity. Surface of the scaffolds was modified with calcium phosphate (CaP) and polycaprolactone (PCL) by dip-coating to improve biocompatibility and mechanical properties. Computed tomography performed with X-ray and synchrotron radiation revealed the defects of structure and morphology of CaP and PCL coatings showing small platelet-like and spider-web-like structures, respectively.
In den letzten zwei Jahren wurden 11 neue Standards/Standardrevisionen zur RT veröffentlicht (ohne Strahlenschutz) und 5 werden dafür gestrichen. Es wird über die neuen Anforderungen ausgewählter Normen bzw. Normrevisionen informiert und insbesondere auch über die veränderten Parameter, die bei Prüfpraxis und bei der Klassifizierung zu berücksichtigen sind. Das wichtigste Projekt ist die Revision der DIN EN ISO 17636-1, -2, RT von Schweißverbindungen, in ISO TC 44 SC 5 WG 1. Die Standards zur Schweißnahtprüfung in der Kerntechnik, DIN 25435, wurden ins Englische übertragen und bei ISO TC 85 SC 6 bearbeitet. Hauptaktivität bei ASTM ist gegenwärtig die Überarbeitung der CT-Standards und die Berücksichtigung der Anforderungen an das dimensionelle Messen. Der Guide ASTM E 1441 zur Bestimmung von MTF, Kontrast-Detail-Funktion (CDF) und Kontrast-Diskrimination-Diagramm (CDD) wird revidiert. E 2445 zur CR Long Term Stability wird ebenfalls revidiert. Die Revision soll auch in die ISO 16371-1 eingehen. Dazu ist ein Round Robin-Test geplant. Auch die Standards zur Durchstrahlungsprüfung auf Korrosion und Ablagerungen in Rohren mit Röntgen- und Gammastrahlen (EN 16407-1, -2, 2014) wurden revidiert. Diese Revision wurde als DIN EN ISO 20769-1, -2 2018 veröffentlicht und EN 16407 wird zurückgezogen. Die Revision der Standards EN 12543 und EN 12679 zur Messung der Brennfleckgröße und der Strahlergröße ist mit Verzögerung in Überarbeitung, um die digitalen Detektoren und Messmöglichkeiten mit Bildverarbeitungsprogrammen zu berücksichtigen. Ein Entwurf zur Messung der Brennfleckgröße von nano-Fokusröhren wird derzeit vom Europäischen Metrologie-Programm EMPIR gefördert. Zur radiographischen Gussteilprüfung wurde der Standard EN 12681 revidiert und 2018 veröffentlicht. Er wurde um Zulässigkeitsgrenzen erweitert und die digitale Radiographie wurde in Teil 2 berücksichtigt.
While the absorption of X-rays and gamma radiation is determined by the Z-number of the elements a specimen is composed of, it is the hydrogen making an effective contrast with neutron imaging. As a consequence, interrogating with neutrons presents a suitable tool to study the distribution of organic consolidants in materials such as wood as encountered in impregnated wooden artworks.
Four different examples of objects are presented here to demonstrate the potential of neutron CT: 1) small wooden pieces of ship wrecks (< 2 cm thickness) interrogated with cold neutrons (0.5 meV at the ANTARES facility of the FRM II in Garching) to demonstrate the potential and the limitation of using low energy neutrons, 2) a wooden statue soaked with carbolineum (fission neutrons 1.8 MeV at the NECTAR facility of the FRM II), 3) a smaller wooden figure of a skull heavily soaked with carbolineum so it was too tight for the fission neutrons used before with accelerator neutrons (broad range about 5.5 MeV at the PTB in Braunschweig) and 4) pieces of charred wood to study the impregnation with a consolidant (NECTAR, FRM II). With the exception of the last example, all results have been combined with X-ray tomography (BAM 8.3 in Berlin). In the case of the charred wood specimens (example 4) the density histograms of the neutron tomography results were compared with those obtained from untreated references. The observed gain in specific density of the soaked specimens corresponded with an increase of specific weight. All results obtained so far showed distinct distribution patterns attributable to structural peculiarities or organic consolidants providing valuable support for subsequent restoration works.
The current establishment of stretchable electronics to form a seamless link between soft or even living materials and the digital world is at the forefront of multidisciplinary research efforts, bridging physics, engineering and materials science. Magnetic functionalities can provide a sense of displacement, orientation or proximity to this novel formulation of electronics. This work reviews the recent development of stretchable magnetic field sensorics relying on the combination of metallic thin films revealing a giant magnetoresistance effect with elastomeric materials. Stretchability of the magnetic nanomembranes is achieved by specific morphologic features (e.g. wrinkles or microcracks), which accommodate the applied tensile deformation while maintaining the electrical and magnetic integrity of the sensor device. The entire development, from the demonstration of the world’s first elastically stretchable magnetic sensor to the realization of a technology platform for robust, ready-to-use elastic magnetosensorics is described. Soft giant magnetoresistive elements exhibiting the same sensing performance as on conventional rigid supports, but with fully strain invariant properties up to 270% stretching have been demonstrated. With their unique mechanical properties, these sensor elements readily conform to ubiquitous objects of arbitrary shapes including the human skin. Stretchable magnetoelectronic sensors can equip soft and epidermal electronic systems with navigation, orientation, motion tracking and touchless control capabilities. A variety of novel technologies, like electronic skins, smart textiles, soft robotics and actuators, active medical implants and soft consumer electronics will benefit from these new magnetic functionalities.
In civil engineering, many structures are made of reinforced concrete. Most Degradation processes relevant to this material, e.g., corrosion, are related to an increased level of material moisture.
Therefore, moisture monitoring in reinforced concrete is regarded as a crucial method for structural health monitoring. In this study, passive radio frequency identification (RFID)-based sensors are embedded into the concrete. They are well suited for long-term operation over decades and are well protected against harsh environmental conditions. The energy supply and the data transfer of the humidity sensors are provided by RFID. The sensor casing materials are optimised to withstand the high alkaline environment in concrete, having pH values of more than 12. Membrane materials are also investigated to identify materials capable of enabling water vapour transport from the porous cement matrix to the embedded humidity sensor. By measuring the corresponding relative humidity with embedded passive RFID-based sensors, the cement hydration is monitored for 170 days.
Moreover, long-term moisture monitoring is performed for more than 1000 days. The Experiments show that embedded passive RFID-based sensors are highly suitable for long-term structural health monitoring in civil engineering.
We present results demonstrating several beneficial effects on distributed fiber optic vibration sensing (DVS) functionality and performance resulting from utilizing standard single mode optical fiber (SMF) with femtosecond laser-inscribed equally-spaced simple scattering dots. This modification is particularly useful when using traditional single-wavelength amplitude-based coherent optical time domain reflectometry (C-OTDR) as sensing method. Local sensitivity is increased in quasi-distributed interferometric sensing zones which are formed by the fiber segments between subsequent pairs of the scattering dots. The otherwise nonlinear transfer function is overwritten with that of an ordinary two-beam interferometer. This linearizes the phase response to monotonous temperature variations. Furthermore, sensitivity fading is mitigated and the demodulation of low-frequency signals is enabled. The modification also allows for the quantitative determination of local temperature gradients directly from the C-OTDR intensity traces. The dots’ reflectivities and thus the induced attenuation can be tuned via the inscription process parameters. Our approach is a simple, robust and cost-effective way to gain these sensing improvements without the need for more sophisticated interrogator technology or more complex fiber structuring, e.g., based on ultra-weak FBG arrays. Our claims are substantiated by experimental evidence.
X-ray reflectivity (XRR) is a powerful and popular scattering technique that can give valuable insight into the growth behavior of thin films. This study Shows how a simple artificial neural network model can be used to determine the thickness, roughness and density of thin films of different organic semiconductors [diindenoperylene, copper(II) phthalocyanine and alpha-sexithiophene] on silica from their XRR data with millisecond computation time and with minimal user input or a priori knowledge. For a large experimental data set of 372 XRR curves, it is shown that a simple fully connected model can provide good results with a mean absolute percentage error of 8–18% when compared with the results obtained by a genetic least mean squares fit using the classical Parratt formalism. Furthermore, current drawbacks and prospects for improvement are discussed.
Along temperature, humidity is one of the principal environmental factors that plays an important role in various application areas. Presented work investigates possibility of distributed fiberoptic humidity monitoring based on humidity-induced strain measurement in polyimide (PI)-coated optical fibers. Characterization of relative humidity (RH) and temperature response of four different commercial PI- and one acrylate-coated fiber was performed using optical backscattering reflectometry (OBR). The study addresses issues of temperature-humidity cross sensitivity, fiber response stability, repeatability, and the influence of annealing. Acrylate-coated fiber exhibited rather unfavorable nonlinear RH response with strong temperature dependence, which makes it unsuitable for humidity sensing applications. On the other hand, humidity response of PI-coated fibers showed good linearity with fiber sensitivity slightly decreasing at rising temperatures. In the tested range, temperature sensitivity of the fibers remained humidity independent. Thermal annealing was shown to considerably improve and stabilize fiber RH response. Based on performed analysis, a 20 m sensor using the optimal PI-coated fibers was proposed and constructed. The sensor uses dual sensing fiber configuration for mutual decoupling and simultaneous measurement of temperature and RH variations. Using OBR, distributed dual temperature-RH monitoring with cm spatial resolution was demonstrated for the first time.
The influence of size effects on the thermoelectric properties of thin platinum films is investigated and compared to the bulk. Structural properties, like the film thickness and the grain size, are varied. We correlate the electron mean free path with the temperature dependence of the electrical conductivity and the absolute Seebeck coefficient SPt of platinum. A measurement platform was developed as a standardized method to determine SPt and show that SPt,film is reduced compared to SPt,bulk. Boundary and surface scattering reduce the thermodiffusion and the phonon drag contribution to SPt,film by nearly the same factor. We discuss in detail on behalf of a model, which describes the temperature dependence of the absolute Seebeck coefficient, the influence of size effects of electron-phonon and phonon-phonon interaction on SPt.
Phased-Array-Technik und Bildgebung mit Ultraschallwellen sind nach langer Entwicklungszeit inzwischen auf dem Weg zu allgemeiner Verbreitung. Daher bietet sich an, die verschiedenen Techniken und deren Begriffe wie z.B. Phased-Array, SAFT, TFM, FMC und Sparse-Array zusammenfassend in Beziehung zu setzen.
All diesen Techniken liegt dieselbe Idee zu Grunde, nämlich durch gezielte Überlagerung von Ultraschallsignalen den gewünschten Effekt zu erreichen. Die verschiedenen Techniken werden kurz charakterisiert und neben den Unterschieden wird beschreiben, auf welche Weise bei all diesen Techniken das Phänomen der konstruktiven Interferenz jeweils genutzt wird.
Acoustic-structure interaction in the Scaled Boundary Finite Element Method for primsatic geometries
(2019)
Due to the short wavelength compared to the dimensions of the structure, the simulation of ultrasonic waves is still a challenging task. A numerical method well suited for this purpose is the semi-analytical Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM). When applying this method, only the boundary of a computational domain is discretized using finite elements, while the interior is described by an analytical ansatz. Hence, the number of degrees of freedom is reduced significantly compared to the classical Finite Element Method (FEM).
In recent years, a particular formulation of the SBFEM for the simulation of ultrasonic guided waves was developed. The method constitutes an efficient algorithm for prismatic structures of arbitrary length, such as plates, pipes, or beams. Wave propagation phenomena in such structures can be modeled for isotropic and anisotropic inhomogeneous waveguides. Even though the method is an efficient tool for the simulation of guided waves in solid media, a reliable model for the simulation of acoustic wave propagation in fluids as well as acoustic-structure interaction in terms of SBFEM is still missing. In principle, the fluid can be described by a displacement-based formulation and thus be implemented in existing SBFEM algorithms for solid bodies. However, due to the discretization with classical finite elements, spurious modes occur, which cannot be separated from the physical modes straightforwardly. The spurious modes can be suppressed using a penalty parameter. Although very accurate results were achieved for some problems, this procedure has been proven unreliable for certain cases.
For this reason, we propose a different approach in this contribution. We employ a pressure model to simulate the acoustic behavior of fluids. The implementation of the pressure model results in a higher effort due to the necessity of incorporating coupling terms, but it presents a stable alternative without spurious modes. The accuracy of the method is demonstrated in comparison with analytical solutions and results obtained using the FEM.
Bruchmechanische Untersuchungen werden zur Vorhersage der Lebensdauer und der Wartungszyklen benutzt. Dabei wird davon ausgegangen, dass auch Objekte ohne detektierte Anzeigen Materialfehler mit einer Reflektivität kleiner der Nachweisgrenze aufweisen können. Keine detektierte Anzeige bedeutet daher für Bauteilauslegung, dass sie eine konservative Annahme machen müssen: es wird angenommen, dass das Bauteil Materialfehler in Größe der Nachweisgrenze enthält. Dies macht die Nachweisgrenze zu dem die Lebensdauer limitierenden Faktor. Bei probabilistischen Methoden wird zusätzliches Wissen, wie Zuverlässigkeit und Fehlerauffindwahrscheinlichkeiten bei der zerstörungsfreien Prüfung mit in die Berechnung einbezogen, um zu konservative Annahmen zu vermeiden. Ziel ist es eine Model-Assisted-POD aufzubauen mit der die reale volumetrische Ultraschallprüfung großer Schmiedeteile nachgebildet werden kann. Die resultierende POD soll im Weiteren in bruchmechanischen Betrachtungen Verwendung finden. In vorangegangenen Arbeiten [Preißel2015] wurde dazu der Einfluss des Prüfrasters nach der DGZfP-Richtlinie US 07:2014 auf die Fehlerauffindwahrscheinlichkeit (parametrisch) simulativ betrachtet und die Simulationstechnik experimentell validiert. In diesem Paper werden die Ergebnisse von Preißel überprüft und um eine Prüfraster-Summen-POD, die das Szenario der realen Bauteilprüfung beschreibt, erweitert. Zudem wird eine experimentell validierte, simulative, nicht-parametrische POD für schrägliegende Defekte aufgebaut. Schließlich werden erste Untersuchungen zur Defektmorphologie vorgestellt. Diese Arbeit ist im Rahmen eines Studenten-Stipendiums der DGZfP entstanden.
Zuverlässigkeitsbetrachtungen bei der Ultraschallprüfung von Radsatzwellen im Ausbildungsbetrieb
(2019)
Im Rahmen der UT1-M1 Ausbildung im Ausbildungszentrum Wittenberge der DGZfP wurden statistische Untersuchungen am Beispiel der Radsatzwellenprüfung mit Testradsatzwellen durchgeführt. Diese Untersuchungen hatten zum Ziel, die wesentlichen Einflussparameter bei der Prüfung auf das Prüfergebnis zu evaluieren. Dabei wurde unter anderem die intrinsische Fähigkeit des Prüfverfahrens zum Auffinden verschiedener Reflektorgeometrien ermittelt. Die Ergebnisse der Handprüfung wurden mit Ergebnissen mechanisierter Prüfungen verglichen. Im Rahmen der Zuverlässigkeitsbetrachtung wurden die Probability of Detection (POD) und die Nachweisgrenzen ermittelt.
Ziel dieser Arbeit war es auch, menschliche und organisatorische Einflussfaktoren auf die Ultraschall-Handprüfung von Radsatzwellen zu identifizieren, um Empfehlungen zur Optimierung der Ausbildung auszuarbeiten. Dazu wurden prüfungsbezogene Risiken in der Praxis mittels Fehlzustandsart- und –auswirkungsanalyse (FMEA) analysiert sowie von den Prüfern empfundene Probleme während der Ausbildung und in der Praxis mittels Fragebogen identifiziert. Die Ergebnisse der FMEA haben gezeigt, dass während des gesamten Prozesses Fehler auftreten können, für die Gegenmaßnahmen getroffen und implementiert werden sollten. Aus den Hinweisen und Erkenntnissen wurden einige Empfehlungen zur Optimierung der Ausbildung erarbeitet.
Aktuelle Entwicklungen der Wirbelstrom- und Ultraschallprüfung an verlegten Eisenbahnschienen
(2019)
Die kombinierte Schienenprüfung mit Wirbelstrom und Ultraschall ermöglicht eine ganzheitliche Detektion von Inhomogenitäten im Kopf und Steg der Schiene und gewährleistet das Auffinden sowohl von Volumen-als auch Oberflächeneffekten wie z. B. Head Checks. Für die verbesserte Detektion von Rollkontaktermüdung (rolling contact fatique, RCF) und den daraus resultierenden Schienenfehlern (Head-Checks, Squats, Riffel, …) wurde für die Wirbelstromprüfung der Prüfbereich auf die gesamte Rollkontaktfläche erweitert. Der Fokus liegt im Neudesign der Wirbelstrom-Prüfvorrichtung und der damit verbundenen normgerechten Auslegung der Konstruktion für die fahrzeugspezifischen Gegebenheiten. Ferner wurde die Anwendersoftware des kombinierten Prüfsystems vereinheitlicht. Um die wirtschaftliche Effektivität unsere Prüftechnik zu steigern, wird die Multiplex-Gerätetechnologie in die automatisierte Schienenprüfung eingeführt. Damit wird der freizuhaltende Einbauraum innerhalb der Fahrzeuge sowie Kabelwege deutlich reduziert. Durch den Übergang zu der Multiplextechnologie wurde weiterhin die Stromaufnahme um mehr als 50% reduziert.
Bei der mechanisierten Prüfung von verlegten Eisenbahnschienen mit Schienenprüfzügen werden große Prüfdatenmengen mit einer komplexen Prüfkopfanordnung in kurzer Zeit bei hohen Prüfgeschwindigkeiten aufgenommen. Der Typ und der Zustand des Gleises kann während der Prüfung in schnellem Wechsel streckenabhängig variieren, z.B. unterschiedliche Schienentypen oder Abnutzung sowie beim Durchfahren von Weichenstraßen. Der logistische Aufwand diese Prüfung insgesamt durchzuführen ist dabei sehr hoch und eine Wiederholung der Prüfung in einem kurzen Zeitintervall nicht möglich.
Es werden während der Prüfdatenaufnahme bereits Datenreduktionsverfahren, Rekonstruktionsverfahren und Online-Parametervariationen eingesetzt, um die Ergebnisdaten zum einen in Ihrer Menge zu begrenzen zum anderen auf die lokalen Geometrie- und Zustandsänderungen des Prüfobjektes Schiene zu reagieren.
Im Regelwerk EN 16729-1 „Zerstörungsfreie Prüfung an Schienen im Gleis -Teil 1: Anforderungen an Ultraschallprüfungen und Bewertungsgrundlagen“ werden Bezugsreflektoren definiert, um die Leistung automatisierter Ultraschallsysteme für die Schienenprüfung zu verifizieren.
Um die Einflüsse der komplexen Randbedingungen der mechanisierten Schienenprüfung auf das Prüfergebnis evaluieren zu können, wurde ein Softwarewerkzeug erarbeitet, mit dem eine Prüffahrt auf einer Schiene simuliert werden kann. Basierend auf der Datenaufnahme mit dem Glassy-Rail-Diagramm können alle relevanten Prüfparameter und Artefakte in Schienen sowie Störeinflüsse bei der Simulation berücksichtigt werden.
The moisture content of screed samples is monitored by means of embedded sensors. Relative humidity sensors and multi-ring-electrodes are used to measure the spatial moisture distribution during desorption. Based on the humidity data and the pore volume distribution, the moisture and the water layer thickness within the pore space are predicted.
Slit shape as well as cylindrical pores are evaluated. Finally, the measured real part of the electrical impedance and the calculated water layer thickness are correlated. Based on the available data, a significant trend change of the impedance is documented at a water layer thickness of approximately 3 nm. This water layer thickness corresponds to a relative humidity of 88.3%.
As humanity contemplates manned missions to Mars, strategies need to be developed for the design and operation of hospitable environments to safely work in space for years. The supply of spare parts for repair and replacement of lost equipment will be one key need, but in-space manufacturing remains the only option for a timely supply. With high flexibility in design and the ability to manufacture ready-to-use components directly from a computeraided model, additive manufacturing (AM) technologies appear extremely attractive. For the manufacturing of metal parts, laser-beam melting is the most widely used AM process. However, the handling of metal powders in the absence of gravity is one prerequisite for its successful application in space. A gas flow throughout the powder bed is successfully applied to compensate for missing gravitational forces in microgravity experiments. This so-called gas-flow-assisted powder deposition is based on a porous Building platform acting as a filter for the fixation of metal particles in a gas flow driven by a pressure difference maintained by a vacuum pump.
Das vorgestellte Projekt beschäftigt sich mit den optischen, thermophysikalischen und mechanischen Materialeigenschaften von additiv gefertigten Kunststoffteilen und deren Alterung. Dazu wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS hergestellt, die anschließend für drei Monate einer künstlichen Bewitterung unterzogen wurden. Die dabei erzeugte definierte Alterung wurde nach drei Zeitabschnitten jeweils mit zerstörungsfreien Methoden charakterisiert. Dabei wurde neben den spektroskopischen Standardmethoden auch die aktive Thermografie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mittels der Thermografie sowohl chemische Veränderungen als auch mechanische Schädigungen (Fehlstellen) darstellen lassen. Die Bewitterung beeinflusst die Teiltransparenz der Proben zumindest im sichtbaren Spektralbereich, was bei der Charakterisierung der Fehlstellen, die mittels optisch angeregter aktiver Thermografie detektiert wurden, berücksichtigt werden muss.
In the present study, the impact of static traffic loading on the slight deflection effects in the concrete structure of an existing bridge has been investigated using distributed fiber optic sensors. In the face of increasing traffic density and severe traffic loading, the results of the load tests on the Amsterdam bridge 705 make an important contribution to the understanding of its structural behavior. The concept of the static loading was based on the use of two 36-ton trucks stopped on the bridge at multiple pre-determined locations. The load applied in this way led to location-dependent small deflection effects recorded as longitudinal strain of the sensing fiber embedded at the underside of the bridge. The measurements were performed with a commercially-available solution based on Tunable Wavelength Coherent Optical Time Domain Reflectometry with the measurement accuracy in the range of 0.5 µm/m.