Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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- 1.9 Chemische und optische Sensorik (7)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (7)
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- 2.5 Konformitätsbewertung Explosivstoffe/Pyrotechnik (5)
- 3.1 Sicherheit von Gefahrgutverpackungen und Batterien (5)
- 4.5 Kunst- und Kulturgutanalyse (5)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (5)
- 9.5 Tribologie und Verschleißschutz (5)
- 1.6 Anorganische Referenzmaterialien (4)
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- 5.5 Materialmodellierung (4)
- 8.3 Thermografische Verfahren (4)
- 9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik (4)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (3)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (3)
- 7.2 Ingenieurbau (3)
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- 8.6 Faseroptische Sensorik (3)
- VP Vizepräsident (3)
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- 2.2 Prozesssimulation (2)
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Eingeladener Vortrag
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Currently, mandatory requirements and recommendations for the detection of irregularities in laser beam welded joints are based on classic micrographs as set out in the standard ISO 13919-1:2019. Compared to classic micrographs, computed tomography enables a non-destructive, three-dimensional and material-independent mode of operation, which delivers much more profound results. Even in building material testing, methods with limited informative value can be checked and supplemented by CT examinations.
Explosionsverletzungen gehören zu den häufigsten Verletzungen bei militärischen Einsätzen. Während die Auswirkungen von Splittern, die als sekundäre Explosionsverletzungen eingestuft werden, durch die modernen ballistischen Körperschutzsysteme der Polizei und des Militärs minimiert werden konnten, stellen die Auswirkungen der Stoßwellenausbreitung im Körper als Teil des primären Explosionstraumas nach wie vor eine ernsthafte Bedrohung dar. Zusätzlich zu einzelnen einsatzbedingten Lastfällen liegt ein wissenschaftlicher Fokus auf besonders exponiertem Personal, z.B. aus den Einsatzbereichen „Taktische Zugangstechnik“, „Präzisionsschützenwesen“ oder Steilfeuerwaffen (Mörser). Repetitive mild traumatic brain injury (mTBI) können gesundheitliche Langzeitschädigungen wie und chronic traumatic encephalopathy (CTE) erzeugen.
Um einen Beitrag zur Erforschung der primären Explosionswirkungen zu leisten, hat die Bundeswehr in Zusammenarbeit mit dem Bundeswehrkrankenhaus Berlin und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ein interdisziplinäres wehrmedizinisches Sonderforschungsvorhaben eingerichtet. Ziel der geplanten Untersuchung ist die Entwicklung einer multidisziplinären Methode zur Analyse des Stoßwellenverhaltens in verschiedenen generischen Gewebesimulanzien, sowie Schutzmaterialien unter möglichst realitätsnahen und reproduzierbaren Bedingungen.
Für die Erzeugung reproduzierbarer Stoßwellen wurde ein Autoklav
(Druckbehälter) entwickelt, mit dem durch die detonative Umsetzung eines Acetylen-Sauerstoff-Gemisches gut reproduzierbare Druckwellen unter Freifeldbedingungen erzeugt werden können. Vorteile dieser Methode sind unter anderem die kurzen Rüstzeiten zwischen Versuchsdurchgängen, die Minimierung störender Einflüsse im Vergleich zu Stoßwellenrohren und die geringeren Sicherheitsanforderungen im Vergleich zur Anwendung von konventionellen Sprengstoffen. Das generische Torso-Modell besteht in seiner einfachsten Form aus einem mit Druck- und Beschleunigungssensoren instrumentierten Gelatineblock, welcher eine Simulanz für organisches Gewebe darstellt. Zur Untersuchung des Stoßwellenverhaltens wurden verschiedene Medien, wie Hohlkörper, Festkörper und Gewebesimulanzien differenter Dichte in das generische Torso-Modell eingebracht. Einen besonderer Untersuchungsschwerpunkt bildeten die Grenzbereiche zwischen den unterschiedlichen Medien. Des Weiteren wurde analysiert, wie sich verschiedene Schutzmaterialien auf das Stoßwellenverhalten auswirken und mit welchen veränderten Eigenschaften die Stoßwelle anschließend in die Gewebesimulanz einkoppelt.
Nowadays, people spend most of their time indoors. Thus, a good indoor air quality is important. Emissions of volatile organic compounds (VOCs) from furniture and building materials can cause health complaints1. Quantitative VOC-emission testing is carried out under standardized conditions in emission test chambers. In the presented project an emission reference material (ERM) is developed that emits a defined mixture of VOCs which is required for quality assurance and -control (QA/QC) measures. Porous materials (e.g zeolites, activated carbons, MOFs or aerogels) are used as reservoir materials and impregnated with VOC. The porous materials are selected, among others, by their pore size, pore size distribution, polarity and availability. Due to their regular pore structure zeolites are tested at first. For a prediction of the emission profile, the ERM is supposed to exhibit a constant emission rate over time. The aim is a stability of ≤ 10 % change in the emission rate over a minimum of 14 days.
Method
For impregnation, the material is placed into an autoclave inside a rotatable basket. The VOC is added and the autoclave is closed. Afterwards, CO2 is inserted. The closed system is then heated to the supercritical point of CO2 (31 °C, 73.75 bar). In this state, the CO2 acts as solvent for the VOC. By rotating the basket, the distribution of the VOC is ensured. After a few minutes, the pressure is decreased slowly and the CO2 is released. For the determination of the emission profile, the impregnated sample is placed into an emission test chamber. These chambers can be operated either with dry or humid air (50 ± 5 % rel. humidity). Every second to third day, air samples are taken and analyzed by gas chromatography. For an ideal impregnation, several different pressures and temperatures as well as impregnation times are tested.
Results
Two zeolite materials tested in dry air conditions reach emission profiles with a decrease of less than 10 % over 14 days (heptane and toluene, respectively). Further it was discovered that smaller pellets of the same zeolite show better results than bigger particles. When the pore size of a zeolite is too small, e.g. 0.3 nm, the VOC cannot be absorbed sufficiently. The main disadvantage of zeolites is their hygroscopicity because it has a large impact on the release of VOC when they are used in emission test chambers under standardized test conditions (23 °C, 50 % rel. humidity). Activated carbons have emission profiles with a larger change over 14 days. However, the high hydrophobicity allows measurements in humid air conditions which was not possible with the before mentioned hygroscopic zeolites. It is possible to impregnate powdered materials as well, and thus powdered non-hygroscopic (n.h.) zeolites were impregnated. Their emission profiles are comparable to those of the activated carbons. The use of methylated hygroscopic zeolites with a decrease in hygroscopicity did not yield successful emission measurements. The change over 14 days is calculated only for the stable phase (~250–300 h).
The desired stability of ≤ 10 % change of the emission rate over 14 days could already be reached under dry testing conditions. Further investigations under humid conditions show that zeolites with high Si/Al-ratios are non-hygroscopic and comparable to activated carbons (20–30 % change). The next step is to reduce the change in the emission rate of these materials to the aimed ≤ 10 % over 14 days.
For a deep process understanding of the laser powder bed fusion process (PBF-LB/M), recording of the occurring surface temperatures is of utmost interest and would help to pave the way for reliable process monitoring and quality assurance. A notable number of approaches for in-process monitoring of the PBF-LB/M process focus on the monitoring of thermal process signatures. However, due to the elaborate calibration effort and the lack of knowledge about the occurring spectral directional emissivity, only a few approaches attempt to measure real temperatures. In this study, to gain initial insights into occurring in the PBF-LB/M process, measurements on PBF-LB/M specimens and metal powder specimens were performed for higher temperatures up to T = 1290 °C by means of the emissivity measurement apparatus (EMMA) of the Center for Applied Energy Research (CAE, Wuerzburg, Germany). Also, measurements at ambient temperatures were performed with a suitable measurement setup. Two different materials—stainless steel 316L and aluminum AlSi10Mg—were examined. The investigated wavelength λ ranges from the visible range (λ-VIS = 0.40–0.75 µm) up to the infrared, λ = 20 µm. The influence of the following factors were investigated: azimuth angle φ, specimen temperature TS, surface texture as for PBF-LB/M surfaces with different scan angles α, and powder surfaces with different layer thicknesses t.
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.
Microplastic and nanoplastic particles (MNP) are spread all over the world in various types, shapes and sizes making it very challenging to accurately analyse them. Each sampling procedure, sample preparation method and detection technique needs suitable reference materials to validate the method for accurate results. Furthermore, the effects of these MNPs should be evaluated by risk and hazard assessment with test particles close to reality. To better understand MNP behavior and aid in clarification of their interactions with organisms, we produced several MNP materials by top-down procedure and characterized their properties. Since surface properties mostly determine particles’ toxicity, the aim of the present study was to determine which functional groups are present on MNPs and how the surface can be affected by the production process and particle’s environment.
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.
Multiphoton lithography (MPL), an emerging microfabrication technique, shows great potential in a variety of applications ranging from tissue engineering to soft micro-robotics. Fabricated micro-objects often are expected to undergo shape morphing or bending. Furthermore, ensuring precise property tuning becomes detrimental for the functionality of MPL microstructures. Herein, we present novel MPL materials based on interpenetrating networks (IPNs), which effectively combine the advantages of acrylate and epoxy thermoset systems. A library of 3D MPL IPN microstructures with high 3D structural stability and tailored thermal and micromechanical properties is achieved. MPL laser velocity and fabrication power can be used to tune the morphology and therefore properties of IPN. New IPN microstructures with materials Young's moduli of 4 to 6 MPa demonstrate susceptibility to deformation with high to fully elastic response. Such soft elastic materials hold immense promise within morphable microsystems, soft micro-robotics and cell engineering applications.
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) enable a large variety of different surface functionalizations for applications in the fields of optics, fluidics, tribology, or medicine. Moreover, high spatial frequency LIPSS (HSFL) provide an appealing and straightforward way for the generation of surface nanostructures featuring spatial periods even below 100 nm – far beyond the optical diffraction limit. However, the imposed surface functionalities are usually caused by both, topographic and chemical surface alterations. For exploring these effects in detail, multi-method characterization was performed here for HSFL processed on Ti-6Al-4V alloy upon irradiation with near-infrared ps-laser pulses (1030 nm wavelength, ~1 ps pulse duration, 1 – 400 kHz pulse repetition rate) under different scan processing conditions. The subsequent sample characterization involved morphological and topographical investigations by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), stylus profilometry (SP), as well as near-surface chemical analyses by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) and depth-profiling time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). The results allow to qualify the laser ablation depth, the geometrical HSFL characteristics and provide detailed insights into the depth extent and the nature of the ps-laser-induced near-surface oxidation arising from the laser-processing in ambient air and into the relevance of heat-accumulation effects at high pulse repetition rates. Moreover, the direct comparison of the HAXPES and XPS data reveals the role of surface-covering organic contaminants adsorbed from the ambient atmosphere without ion-sputter depth profiling. Furthermore, reduction of the oxides by sputtering can be avoided.
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.