Analytische Chemie
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- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (25)
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Eingeladener Vortrag
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Die Prüfprobleme bei Verbundwerkstoffen sind im wesentlichen bestimmt durch die Zweckbestimmung des betreffenden Gegenstandes, die materielle und organisatorische Basis für die Verwirklichung des Vorhabens, die untersuchende und vergleichende Auswahl geeigneter Stoffe und Verarbeitungsverfahren und durch die bestätigende und deshalb meist komplexe Prüfung seiner Funktion mit vorgegebenem Leitwert und darauf bezogenen Variablen bei oft nicht als Konstanten beherrschbaren Parametern.
Die erfolgreiche Lösung einer solchen Aufgabe setzt voraus die ausreichende Kenntnis physikalischer, chemischer, mechanischer und technologischer Eigenschaften von verfügbaren und preiswürdigen Stoffen und Stoffzuständen, deren Beeinflußbarkeit und deren Auswirkungen auf den angestrebten Zweck einschließlich erwünschter belangloser oder auch unerwünschter aber erträglicher oder zusätzlich zu kompensierender Nebenwirkungen. Dafür wiederum braucht man ausreichende qualitative und quantitative Vorstellungen über die mit der angestrebten Funktion zusammenhängenden physikalischen Vorgänge, mechanischen Anstrengungen und chemischen Einwirkungen in dem so bedingten Verbundsystem von Werkstoffen entsprechender Eigenschaften. Aufgaben dieser Art sind z. B. Konstruktionen für die Wandlung, Verteilung, Nutzung oder Abwehr von Energie für die Herstellung, die Verarbeitung und den Transport von Stoffen, für die Darstellung von Wohnung, Kleidung und Nahrung sowie jener materiellen und organisatorischen Voraussetzungen, die dem Menschen als Gesellschaftswesen und über den physischen Bereich hinaus dienen.
Hinweisende Beispiele zeigen, daß die Problematik der Prüfung von Verbundwerkstoffen am zuverlässigsten erfaßt und beherrscht werden kann, wenn die Kenntnis der Eigenschaften von Stoffen und Materialien dem konstruktiv zu behandelnden Funktionszweck entspricht, dadurch eine souveräne Auswahl im Sinne einer weiter reichenden Kombination einzelner hervorragender Eigenschaften möglich ist und das Geplante als geschaffene Wirklichkeit durch den prüfenden Versuch und die beobachtete Bewährung bestätigt wird.
Wirbelstromprüfung an Eisenbahnschienen - Integration der Wirbelstromtechnik in Ultraschallprüfzüge
(2004)
Eisenbahnschienen sind betriebsbedingt hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Es ist notwendig, Schädigungen möglichst frühzeitig zu detektieren und hinsichtlich ihrer Schädigungstiefe zu bewerten, um sie durch gezielte Schienenbearbeitung (Schleifen, Hobeln, Fräsen) rechtzeitig zu beseitigen. Mit der bisher in Schienenprüfzügen eingesetzten Ultraschalltechnik lassen sich die Oberflächenfehler nur schwer detektieren. Eine Bewertung der Schädigungstiefe ist nicht möglich. Die Wirbelstromtechnik stellt als oberflächennahes Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung eine ideale Ergänzung zur volumenhaften Ultraschallprüfung dar. Es wurde ein Wirbelstromprüfsystem entwickelt, das eine Detektion und Tiefenbewertung von Oberflächenfehlern bei einer Prüfgeschwindigkeit von bis zu 100 km/h und einem Messpunktabstand von 1 mm ermöglicht. Das Wirbelstromsystem kann in das vorhandene Ultraschallsystem integriert werden. Dieses beginnt mit der Übernahme der Dateinamen zur Speicherung der Messdaten, dem synchronen Start und Stopp der Messung, Ortssynchronisation über gemeinsamen Wegtakt und externe Kilometrierung bis hin zur gemeinsamen Darstellung der Prüfergebnisse. Die unterschiedlichen Ultraschallsysteme der verschiedenen Prüfzüge erfordern eine flexible Konfigurierbarkeit der Schnittstelle (Digital-IO, LAN). Wegen des enormen Umfanges der Urdaten ist es erforderlich, die Auswertung der Wirbelstromdaten so weit wie möglich zu automatisieren. Als Ergebnis der automatisierten Auswertung erhält der Prüfer Angaben über Lage, Art und Häufigkeit von Fehlern sowie die maximale Schädigungstiefe. Nebenbei ist das Wirbelstromsystem auch in der Lage, Schweißnähte in den Schienen zu detektieren. Da die Schweißnähte auch optisch zu erkennen sind, stellen sie ein wichtiges Merkmal zum Auffinden von Fehlstellen dar.
Am Beispiel der Ertüchtigung einer Brücke in Bremen wird gezeigt, wie mit den zerstörungsfreien Prüfverfahren (ZfP) Radar- und Ultraschall die genau Lage vorgespannte Bewehrung gefunden bzw. bestätigt werden kann. Im Rahmen von Ertüchtigungsmaßnahmen an Spannbetonbrücken werden häufig Kernbohrungen durchgeführt, die die vorhandenen Spannbewehrungen nicht beschädigen dürfen. Es wird die Vorgehensweise beschrieben, wie mit ZfP ein wesentlicher Beitrag geleistet wird, das Risiko einer Beschädigung zu minimieren und somit eine bessere Planungssicherheit für die Ertüchtigungsmaßnahmen zu schaffen. Dabei werden auch die Grenzen der bei den Verfahren aufgezeigt.
Schlaffe und vorgespannte Bewehrungen in Stahlbetonbauwerken lassen sich in einer Tiefe von etwa 30 – 35 cm gut mit dem Radarverfahren orten. In der Praxis zeigt sich aber häufig, daß der zeitliche Aufwand für eine Radarmessung stark variieren kann. Gründe dafür sind zum einen die Komplexität der Bewehrung im Betonbauteil, zum anderen aber auch die Unsicherheit des Anwenders bei der Durchführung der Radarmessung. Die Frage, ob die Bewehrung schon mit der Messung entlang einer einzelnen Messlinie gefunden werden kann, oder ob eine flächige Messung notwendig ist, kann häufig nicht schnell und einfach beantwortet werden.
Bei flächigen Radarmessungen ist ein wesentlicher Punkt dabei die Frage, wie dicht das Messraster sein soll. In der Praxis stellt sich häufig im Nachhinein heraus, daß ein weniger dichtes Raster mit einem Messlinienabstand von 10 cm oder 20 cm statt eines dichteren Rasters von z. B. 5 cm Messlinienabstand keine merkliche Verschlechterung des Ergebnisses beim Orten der Bewehrung liefert. Der zeitliche Aufwand für eine Radarmessung kann sich deshalb bei einer aufgabenbezogenen Wahl des Messrasters im Vergleich zur ursprünglichen Messung um deutlich mehr als die Hälfte verringern. Seltener tritt in der Praxis der Fall auf, daß ein Messraster zu groß gewählt wurde.
Anhand von Praxisbeispielen werden die Unterschiede von Radarergebnissen bei einer Variation von Messrastern gezeigt. Die Wahl eines aufgabenbezogenen Messrasters wird ebenso wie die Wahl einer geschickten Antennenpolarisation bei der Ortung vorgespannter Bewehrung betrachtet und der Einfluss der Antennenpolarisation auf den Aufwand der Radarmessung diskutiert. Abschließend wird ein kurzer Ausblick gegeben, was für ein Potential dichte Messraster trotzdem in der Forschung haben können.
Der Vortrag stellt die aktuellen Forschungsschwerpunkte zum Thema Prozessanalytik an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) vor und nennt aktuelle Entwicklungsfelder mit dem Ziel gemeinsamer F&E-Projekte. Zunächst wird die Prozessindustrie und ihre Wertschöpfungskette vorgestellt. Daraus ergibt sich eine Motivation für Prozessanalytik. Zwischen der Prozessanalytik in der Pharmazeutische Industrie und der Chemischen Industrie bzw. Verfahrenstechnik gibt es Unterschiede, die herausgearbeitet werden. Der Vortrag schließt mit Technologiewünschen und Technologievisionen und nennt Konkrete Beispiele für Visionen für PAT, insbesondere im Kontext des Zukunftsprojekts „Industrie 4.0“
Die quantitative Bestimmung der Haftfestigkeit von Beschichtungen ist von entscheidender Bedeutung sowohl für die Entwicklung als auch für die Qualitätssicherung. In einer Vergleichsstudie zur Haftfestigkeit von optischen und ophthalmischen Schichten wurde mit Hilfe der Zentrifugentechnologie der Einfluss verschiedener Parameter (Substratdicke, Oberflächenvorbehand-lung, Haftvermittler) auf die Haftfestigkeit optischer Schichten auf silikatischen und ophthalmischer Schichten auf polymeren Substraten untersucht.
Zur Bestimmung der Haftfestigkeit in der physikalisch korrekten Dimension Kraft pro Fläche im Stirnabzug stehen die Ein-Proben-Prüfung mit der Zugprüfmaschine und die Mehr-Proben-Prüfung mittels Zentri- fugentechnologie zur Verfügung. Die Zentrifugentechnologie wurde ausgewählt, da die Prüfung von bis zu acht Proben unter nahezu identischen Versuchsbedingungen und somit eine statistisch gesicherte Bestimmung der Haftfestigkeit möglich sind.
Es konnte nachgewiesen werden, dass die Substratdicke einen erheblichen Einfluss auf die gemessene Haftfestigkeit hat. Dies entspricht den Erwartungen, da es sich bei der Haftfestigkeit um eine System- eigenschaft des Schicht-Substrat-Systems handelt. Bei den Delaminationsbrüchen (DF) konnte zwischen Delamination des metallischen Reflektors (DF-R) und Delamination des Dielektrikums (DF-D) unter- schieden werden. Im Fall hinreichender Haftfestigkeit der Beschichtung traten auch Adhäsionsbrüche am Interface zum und Kohäsionsbrüche im Klebstoff auf. Nachfolgende Untersuchungen werden sich mit alternativen Klebstoffen und weiterentwickelten Fügestrategien befassen.
Troubleshooting Samples Analytics:
Impurities in products: unexpected & unwanted occurrence, unknown identity, analytical method unclear, often various analytical methods, necessary, short response time important (< 1 d), benefits: allocation of its source within hours safes cost
• Investigations planned, coordinated and documented by TSA team
• Variety of analytical methods available
Zur Bestimmung des Feuchtezustands und insbesondere der Belegereife von Estrichfußböden kommen in Deutschland zerstörende Prüfverfahren zum Einsatz, die eine punktuelle Probenahme erfordern. Hierbei ergeben sich immer wieder Fehlinterpretationen, da zum einen die Probenahme selbst zu einer Veränderung des Feuchtezustands führt und zum anderen, weil die Verfahren an sich mitunter ungenau sind (z.B. abhängig von der Estrichzusammensetzung). Zusammen mit vier Forschungsinstituten und dem Industriepartner Bosch wurden an der BAM zerstörungsfreie Prüfverfahren auf deren Tauglichkeit zur Estrichfeuchtemessung untersucht und mit den herkömmlichen zerstörenden Verfahren verglichen.
Für diesen Versuch kamen verschiedene geophysikalische Verfahren zum Einsatz, darunter Nuklear Magnetische Resonanz (NMR), elektrische Widerstandsmessungen und Impulsradar (GPR). Es wurden neun verschiedene Estrichsorten hergestellt und während der Trocknungsphase bei Konstant-Normklima gelagert. Diese wurden sowohl zerstörend als auch zerstörungsfrei mit den o. g. Verfahren untersucht. Gleichzeitig wurden die Masseänderungen der Proben zur Bestimmung des integralen Feuchtehalts aufgezeichnet.
Die Ergebnisse zeigen zum einen, dass das Abtrocknungsverhalten von zementgebundenen Estrichen grundsätzlich unterschiedlich von dem anhydritgebundener Estriche ist. Während sich bei ersteren zügig ein deutlicher Feuchtegradient über die Höhe der Proben einstellt, verläuft dieser bei der zweiten Probengruppe sehr flach. Dies lässt sich vor allem in den NMR Daten räumlich hochaufgelöst nachvollziehen - die Datenakquise erfolgte mit einer NMR MOUSE PM 25. Ein ähnliches Bild ergibt sich auch aus den elektrischen Widerstandsmessungen, die mittels sog. Multi-Ring-Elektroden (MRE) durchgeführt wurden. MRE bezeichnen als Vertikalprofil angeordnete Ringelektroden mit einem Abstand von ca. 1-2 mm, zwischen denen jeweils Zwei-Punkt Widerstandsmessungen durchgeführt werden. Bei sehr geringen Feuchtegehalten (z.T. auch um die Belegereife) waren mit dieser Methode jedoch wegen der zu hohen Übergangswiderstände nur bedingt Messungen möglich. Im Gegensatz zu NMR und MRE sind mit dem Radarverfahren (2 GHz Antenne) keine tiefenbezogenen Aussagen möglich. Jedoch lässt sich über eine Amplitudenauswertung von direkter und an der Rückwand reflektierter Welle teilweise eine Aussage über Restfeuchtigkeit im Volumen treffen. Ebenso zeigt die Laufzeitdifferenz der beiden Wellen eine starke Abhängigkeit vom Feuchtegehalt.
Die regelmäßige Überprüfung von Eisenbahnradsatzwellen auf betriebsbedingte Schädigungen ist ein fester Bestandteil des Instandhaltungskonzeptes von Eisenbahnfahrzeugen. Insbesondere bei hohen Achslasten und hohen Rotationsgeschwindigkeiten ist eine detaillierte regelmäßige Prüfung notwendig. In den letzten Jahren wurden für diese Prüfaufgabe mechanisierte Ultraschallprüfsysteme entwickelt, erfolgreich eingeführt und etabliert. Für eine Weiterentwicklung dieser Technologie stehen die Themen Erhöhung der Auflösung, Reduzierung von Oberflächen- und Störeinflüssen, Verkürzung von Prüfzeiten, Verbesserung der POD, Verlängerung von Inspektionsintervallen, Vereinfachung der Auswertung und die Möglichkeit der Durchführung von Analyseprüfungen im Vordergrund. Es werden Ansätze und neue Konzepte zur Lösung dieser Herausforderungen vorgestellt.