Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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- Örtliche Korrosion (1)
Organisationseinheit der BAM
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (16)
- 5 Werkstofftechnik (11)
- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (10)
- 6 Materialchemie (9)
- 7 Bauwerkssicherheit (9)
- 8.5 Röntgenbildgebung (8)
- 9 Komponentensicherheit (8)
- 2.5 Konformitätsbewertung Explosivstoffe/Pyrotechnik (5)
- 7.1 Baustoffe (5)
- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (4)
- 5.6 Glas (4)
- 6.7 Materialsynthese und Design (4)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (4)
- 6.3 Strukturanalytik (3)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (3)
- 8.3 Thermografische Verfahren (3)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (3)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (2)
- 2.0 Abteilungsleitung und andere (2)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (2)
- 4 Material und Umwelt (2)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (2)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (2)
- 7.2 Ingenieurbau (2)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (2)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (2)
- 1.2 Biophotonik (1)
- 1.9 Chemische und optische Sensorik (1)
- 2.2 Prozesssimulation (1)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (1)
- 3.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 4.5 Kunst- und Kulturgutanalyse (1)
- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (1)
- 5.3 Polymere Verbundwerkstoffe (1)
- 5.4 Multimateriale Fertigungsprozesse (1)
- 5.5 Materialmodellierung (1)
- 6.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 6.2 Material- und Oberflächentechnologien (1)
- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (1)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (1)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (1)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (1)
- 9.5 Tribologie und Verschleißschutz (1)
- 9.6 Additive Fertigung metallischer Komponenten (1)
In letzter Zeit kommen immer mehr alternative Energiequellen als Ersatz fossiler Brennstoffe zum Einsatz, so auch die Solarthermie. Jedoch sind die Betriebsbedingungen aufgrund der chemischen Zusammensetzung der Wärmeträgermedien und herrschenden Temperaturen extrem hinsichtlich Korrosion. Da die Kraftwerke bei maximaler Lebensdauer ökonomisch vertretbar sein müssen, ist eine Werkstoffauswahl basierend auf Voruntersuchungen notwendig, um einen sicheren und verlässlichen Betrieb dieser Anlagen zu gewährleisten.
Die Werkstoffauswahl hängt von der Betriebstemperatur eines Kraftwerks bzw. der chemischen Zusammensetzung des Wärmeträgermediums ab. In hochkorrosiven Umgebungen werden aufgrund ihrer sehr guten Korrosionsbeständigkeit Nickelbasislegierungen nicht nur für stark korrosiv beanspruchte Bauteile als die Lösung angesehen. Jedoch kann es durchaus beständigkeitsbedingte Einschränkungen für den Einsatz geben, wofür die hier vorgestellten Ergebnisse dienen sollen.
In diesem Beitrag wird die Beständigkeit ausgewählter hochlegierter Werkstoffe (inklusive einer neuentwickelten Legierung in einer Nitrat-Salzschmelze (60 % NaNO3/40 % KNO3) vorgestellt, die mittels elektrochemischer Messungen und Auslagerungsversuchen ermittelt wurde.
A numerical pre-study has shown that cracks in a flat sample featuring a drilled hole can be classified into one of three crack shape classes based on the combined evaluation of various types of test data.
Modulare Hüftprothesen können individuell der Anatomie des Patienten angepasst werden und haben dadurch eine positive Auswirkung auf dessen Lebensqualität. Unter Betriebsbelastung sind in der zusätzlichen Konusverbindung zwischen Schaft und Kopfteil Relativbewegungen möglich. Selbst an Titan-Bauteilen bewirken diese durch Verletzung der Passivschicht Reibkorrosion und infolgedessen Spaltkorrosion. Verunreinigungen wie z.B. Knochenrückstände in der Konusverbindung bewirken eine erhöhte Relativbewegung und führen zusätzlich zu einer örtlichen Spannungsüberhöhung durch lokale Pressung. Die an der Mantelfläche des Schafts entstehenden Korrosionsdefekte reduzieren die Schwingfestigkeit des Schafts erheblich, so dass dort Schwingrisse initiiert werden können, welche dann durch die üblichen zyklischen Schwell-Biegebelastungen bis zum Restgewaltbruch wachsen.
Oft sind von außen nicht sichtbare „Ungänzen“ im Innern die Ursache für das Versagen von Bauteilen. In manchen Fällen genügt eine herkömmliche metallographische Präparation, um der Schadensursache auf die Spur zu kommen. In anderen Fällen aber sind die Ungänzen zu klein oder ihre Lage zu ungewiss, um sie mit zufälligen Schnitten zu treffen. Zudem würde man durch Fehlversuche das Bauteil zu stark schädigen und so wertvolle Spuren verlieren sowie die weitere Untersuchbarkeit einschränken. In solchen Fällen ist es im wahrsten Sinn des Wortes zielführend, die Ungänzen mit Hilfe eines räumlich abbildenden ZfP-Verfahrens zu lokalisieren und dann mit den erhaltenen Koordinaten eine metallographische Zielpräparation präzise durchzuführen. Als Methoden kommen z.B. Mikro-Computer-Tomographie (µCT) und Tauch-Ultraschall in Frage. Bauteile können kleine elektronische Komponenten sein, aber auch große Bauteile wie Wellen aus Fahrzeugen oder Anlagen.
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 Rahmen eines DFG-Forschungsvorhabens (FOR 537) wird ein Teilprojekt an der BAM bearbeitet. Ziel dieser Arbeit ist die quantitative Beschreibung und Bewertung des Korrosionsfortschrittes an Stahlproben mit kleinen Kathodenflächen (Eigenkorrosion) mittels elektrochemischer Messungen. Für die Untersuchungen wurden Betonproben mit eingebetteten Stahlelektroden hergestellt. Dabei wurden gezielt betontechnologische Parameter variiert. Dabei ist der Beton als Elektrolyt zu betrachten. Nach bestimmten Zeitintervallen werden die Betonproben aufgebrochen und die eingebetteten Stahlelektroden durch visuelle Inspektion und anschließende Bestimmung des Masseverlustes bewertet. Zur Charakterisierung des Betons (Elektrolyt) dient das Verfahren der Quecksilberporosimetrie. Mit dem Verfahren lassen sich die Zusammenhänge zwischen den betontechnologischen Parametern und der Porenstruktur aufzeigen und mittels der umfangreichen Variation der Betonparameter die Auswirkung auf den Korrosionsfortschritt nachweisen.
Um den Abbau primärer Rohstoffe zu reduzieren, wurden deponierte oder niederwertig eingesetzte industrielle Reststoffe hinsichtlich einer höherwertigen Verwendung im Betonbau untersucht. Zur Bewertung des Einsatzpotentials als Zementbestandteil oder Betonzusatzstoff erfolgte zunächst eine chemisch-mineralogische und betontechnologische Charakterisierung der Materialien. Reststoffe, die die normativen Anforderungen hinsichtlich der Zementzusammensetzung erfüllen, wurden anschließend zu verschiedenen Anteilen als Zementsubstitut in Mörtel eingesetzt. In vergleichenden Untersuchungen erfolgte die Ermittlung der Frisch- und Festmörteleigenschaften.
Kalorimetrische Untersuchungen sollten die Auswirkungen der Reststoffe auf die Zementhydratation zeigen. Ausgewählte Untersuchungsergebnisse an Reststoffen aus der Industrieabwasseraufbereitung, dem Altpapierrecycling, der Biomasseverbrennung und der Metallurgie werden vorgestellt.