Wissenschaftliche Artikel der BAM
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Die Zahl der industriellen Anwendungen mit Einsatz von Faserverbundwerkstoffen wächst kontinuierlich vor allem wegen der exzellenten Materialeigenschaften und des geringen Gewichtes dieses Werkstoffes. Entsprechend steigen die Anforderungen an zerstörungsfreie Prüfsysteme zur Gewährleistung des sicheren Betriebes von Komponenten und Strukturen bestehend aus Verbundwerkstoffen.
Im Rahmen des EU-Projekes VITCEA (Validated Inspection Techniques for Composites in Energy Applications) wird das Ziel verfolgt, neue Prüfverfahren für moderne Verbundwerkstoffe zu entwickeln und zu validieren. Im Vordergrund steht hierbei als Applikation im Industriesektor Energieversorgung die Prüfung von sicherheitsrelevanten Komponenten von onshore und offshore Windkraftanlagen, wie z.B. deren Rotorblätter und tragende Strukturen.
Eine Teilaufgabe innerhalb des Projektes stellen der Vergleich und die Validierung verschiedener Ultraschallprüfmethoden bezüglich ihrer Fähigkeit zum Nachweis der typischen Herstellungs- und betriebsbedingten Materialschädigungen von CFK und GFK dar.
Neben verschiedenen konventionellen Ultraschall-Prüftechniken, werden die Phased-Array-Prüfung, insbesondere die Prüfung mit Matrixarrays, sowie die Untersuchung mit berührüngsloser Luftultraschalltechnik bezüglich ihrer Nachweisgrenzen und der Möglichkeiten zur Fehlercharakterisierung an Faserverbundwerkstoffen untersucht. Die Ergebnisse werden mit Untersuchungen mit thermographischen Methoden und Mikrowellentechnik verglichen.
The objects of this investigation were sculptures taken from a ca. three hundred years old baroque epitaph of a church in Tonning, a town in Northern Germany. Around 1900 it was found in a disastrous state heavily damaged by wood-worm. At that time, the whole artwork was treated with the tar extract carbolineum as a remedy. Nowadays, this substance has been identified as carcinogenic, and its presence can be perceived by its stench and visually at certain spots on the surface where it has penetrated the covering paint.
A gold-painted sculpture of a massive wooden skull was interrogated with X-rays and fast neutrons to investigate the internal distribution of the carbolineum. The X-ray tomography, with its excellent spatial resolution revealed galleries left over from the worm infestation in the outer areas and cracks in the central region. The golden color coating appeared as a thick and dense layer. In comparison the tomography with fast neutrons, though being of lower resolution and yet unresolved artefacts revealed sections of slightly different densities in the bulk of the wood. These differences we attribute to the differences in the distribution of the impregnant in the wood, visible due to its higher hydrogen content making it less transparent for neutrons.
Fire and explosion hazards associated with storage and transportation of flammable materials have been a matter of great interest in the recent times. BLEVE is a scenario that occurs when a closed fuel container is subjected to heat for a longer duration. Such events are disastrous to human beings and assets both. In the past there have been numerous studies on BLEVEs and fireballs of hydrocarbon fuels, e.g. kerosene, gasoline, LPG, LNG and others. Though, the fireballs of peroxy-fuels are not looked into detail as such. This article tries to overcome this lack of knowledge. Both, experimental investigation and CFD simulations are performed to measure and predict the fireball characteristics of a peroxy-fuel. Due to thermal decomposition in the liquid phase and active oxygen content a peroxy-fuel fireball burns at a very fast rate and emit higher thermal radiation whereas exhibits smaller diameter and elevation compared to hydrocarbons. That eventually leads to consideration of larger safety distances from them which are also verified by CFD results.
High resolution examination of safety-relevant parts in immersion tank testing with focussing probes is forming a main topic of modern non-destructive testing. For the usage of complex reconstruction methods and algorithms, an individual and detailed knowledge about the transmission behaviour of the used probes is essential, as this has a significant influence on the results of data reconstruction.
Especially the knowledge about position and diameter of the focal point is needed to achieve the highest possible sensitivity. Through the individual position of the beam axis within the examined volume, a four dimensional metro logical determination of the acoustical pressure (x, y, z, t) is necessary. With the measured data it is possible to draw interferences about the sound field and acoustical pressure distribution. The presented work realized a method of automatic determination of the beam axis, the position of focal point and the focal diameter to support individual testing setups and transducer characterization.
BAM und TATA Steel untersuchen gemeinsam, ob sich die Prüfung von ferritischen Feinblechen mit einer Stärke von etwa 0,2 mm während der Fertigung durch den Einsatz von GMR-Sensorik verbessern lässt. Hierzu wurde eine Vorstudie an Feinblechen mit eingebrachten Mikronuten durchgeführt. Diese Nuten variieren in ihrer Tiefe zwischen 5 μm und 60 μm und wurden verdeckt mit ZfP-angepassten GMR-Sensorarrays geprüft. Die Ergebnisse der Vorstudie zeigten, dass bei verdeckter Prüfung schon kleinste Defekte mit einer Tiefe von 10 μm - gleichbedeutend mit einer Restwanddicke von 90 % – mit einem SNR > 6 dB detektiert werden konnten, wobei der Abstand der Prüfsonde zur Oberfläche bis zu 500 μm betrug. Zudem wurden in der Vorstudie Untersuchungen zur Prüfgeschwindigkeit und Praxistauglichkeit durchgeführt.
Basierend auf den hier gewonnenen Ergebnissen wird ein erster Demonstrator für eine zuverlässige Prüfung eines Teilbereiches von 50 mm des Feinbleches innerhalb einer Produktionslinie aufgebaut. Zum Einsatz kommen Prüfsonden mit jeweils 24 GMR-Sensorelementen. Hierbei wird das Ziel einer umfassenden Prüfung des Feinblechs über die gesamte Breite von 1200 mm angestrebt. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die hohe Anzahl von mehr als 1000 Sensorelementen dar. Das hierfür entwickelte Prüfkonzept umfasst neben einer angepassten Erzeugung des Magnetfeldes die Entwicklung einer geeigneten schnellen und sicheren Elektronik für die neuen Mehrkanalprüfköpfe. Neben der Vorstellung des Prüfkonzeptes und seiner Eigenschaften vergleichen wir die erzielten Prüfergebnisse an verschiedenen Vergleichsfehlern mit denen der Vorstudie.
Widerstandspunktschweißen ist insbesondere im Automobilbau eine der wichtigsten Fügetechniken. Bislang erfolgt die Qualitätssicherung überwiegend durch stichprobenartige zerstörende Prüfung. Eine zerstörungsfreie Prüftechnik würde neben der Reduzierung der Prüfkosten auch eine Optimierung des Punktschweißverfahrens bedeuten, da prinzipiell jeder Schweißpunkt geprüft werden könnte und somit auch eine Reduzierung der Anzahl der Schweißpunkte möglich ist.
Es wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem die Punktschweißverbindung zwischen zwei Stahlblechen optisch auf einer Blechseite mittels Laser oder Blitzlicht erwärmt wird. Die aufgeschmolzene Zone, die sogenannte Schweißlinse, stellt dabei neben der mechanischen Verbindung auch eine Wärmebrücke zwischen den beiden verschweißten Blechen dar, die bei diesem Verfahren ausgenutzt wird. Durch den verbesserten thermischen Kontakt zwischen den verschweißten Blechen an der Schweißlinse kontrastiert diese deutlich mit dem umgebenden Blechmaterial, bei dem der Wärmeübertrag zwischen den Blechen vergleichsweise gering ist. Dieser Kontrast im thermischen Verhalten kann mittels zeitabhängiger Thermografie gemessen werden.
Durch das hier vorgestellte Verfahren kann mittels aktiver Thermografie sowohl in Transmissions- als auch in Reflexionsanordnung die Größe des thermischen Kontaktes zwischen den beiden Blechen ermittelt werden, welche ein Maß für die Größe der Schweißlinse und damit für die qualitative Güte der Schweißung darstellt. Ein Vorteil des entwickelten Verfahrens ist seine Anwendbarkeit auf Bleche ohne Oberflächenbehandlung.
Neutron tomography has been applied to investigate the mechanism of hydrogen assisted cracking in technical iron and supermartensitic steel. Rectangular technical iron block samples showed blistering due to intense hydrogen charging and the tomographic method revealed in situ the spatial distribution of hydrogen and cracks. Hydrogen accumulated in a small region around cracks and the cracks are filled with hydrogen gas. Cracks close to the surface contained no hydrogen. Hydrogenous tensile test samples of supermartensitic steel were pulled until rupture and showed hydrogen accumulations at the notch base and in the plastically deformed region around the fracture surface.
A multifunctional fluorescence platform has been constructed based on gold nanoparticle (AuNP)-catalyzed uranine reduction. The catalytic reduction of uranine was conducted in aqueous solution using AuNPs as nanocatalyst and sodium borohydride as reducing reagent, which was monitored by fluorescence and UV-vis spectroscopy. The reaction rate was highly dependent on the concentration, size and dispersion state of AuNPs. When AuNPs aggregated, their catalytic ability decreased, and thereby a label-free fluorescent assay was developed for the detection of melamine, which can be used for melamine determination in milk. In addition, a fluorescent immunoassay for aflatoxin B1 (AFB1) was established using the catalytic reaction for signal amplification based on target-induced concentration change of AuNPs, where AFB1-BSA-coated magnetic beads and anti-AFB1 antibody-conjugated AuNPs were employed as capture and signal probe, respectively. The detection can be accomplished in 1 h and acceptable recoveries in spiked maize samples were achieved. The developed fluorescence system is simple, sensitive and specific, which could be used for the detection of a wide range of analytes.
Non-destructive testing methods are mostly applied and established for the detection of embedded mounting parts or structural defects in building elements. The assessment of the concrete microstructure or microstructural changes like chemical alterations or the formation of microcracks, e.g. due to material aging, freeze-thaw cycles, alkali-silica reaction and ettringite, is not in the focus of ndt research though. Concrete moisture and enhanced salt contents, which usually trigger all chemical microstructural changes, are other material properties, lacking reliable ways of measuring. But, the assessment of such material properties, on the long term also in a depth resolved manner, is definitely important, when the sustainability of our concrete infrastructure buildings shall be evaluated.
New consideration like the potential use of ndt, in particular the combination of different methods and alternate ways of data analysis are subject of research currently undertaken at BAM. These approaches involve for example working towards (i) a deeper understanding of how to measure moisture distributions reliably and follow transport phenomena, (ii) the use of stray phenomena in radar and ultrasound to locate material inhomogeneities or (iii) the application of LIBS for the delineation of diffusion and migration processes but also (iv) the use of new tools for data analysis like data fusion. First results are presented and new ideas discussed.
Measuring the moisture content of floor screeds is usually done with minor destructive testing methods like Darr drying or the Calcium Carbid (CM) method. These require small samples, deliver only punctual information and still have proven not to be very reliable. Hence, a study has been made using the standard destructive tests as well as a suite of non-destructive testing methods working out their use for moisture determination. In this study five partners from research institutes and industry worked together and intensively researched different technologies. The main focus was put on the varying sensitivity of the measuring techniques in different moisture ranges. Especially for low moisture contents ( or ‘critical’ moisture contents when the screed is dry enough to be covered with the final floor finish), several commercial devices including the most commonly used CM-method failed to determine the correct moisture content for cementitious samples. Hence the need for more accurate, if possible non-destructive methods is high, taking also into account that the chemistry (and physical properties) of screeds may vary strongly depending on their origin and purpose.