Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe ist eine Technologie, die zunehmend Gegenstand von Forschungsaktivitäten und industrieller Anwendung ist. Dennoch steht sie noch vor Herausforderungen, um eine breite Nutzung in sicherheitsrelevanten Anwendungen zu erreichen. Die Hauptgründe für die Verzögerung des technologischen Durchbruchs zugunsten von AM-Metallen gegenüber konventionell hergestellten Varianten sind das Fehlen eines tieferen Verständnisses der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und die begrenzte Verfügbarkeit von Daten zu den Materialeigenschaften. In diesem Kontext stellt diese Arbeit einen Beitrag sowohl zum Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen als auch zur Verbesserung der Datenlage von 316L dar, einem häufig als Konstruktionswerkstoff in verschiedenen Hochtemperaturbauteilen verwendeten Werkstoff. Die Arbeit legt den Fokus auf die mittels Laser-Pulverbettschmelzen hergestellte Werkstoffvariante, PBF-LB/M/316L. Eine konventionell hergestellte Variante, HR/316L, wurde auch untersucht. Bei PBF-LB/M/316L wurde zusätzlich der Effekt ausgewählter Wärmebehandlungen ausgewertet. Die Untersuchung umfasste die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und der Verformungs- und Schädigungsmechanismen bei erhöhten Prüftemperaturen bei LCF und Kriechen, wo die Daten und Wissenslage am spärlichsten ist. Außerdem hat die untersuchte PBF-LB/M/316L-Wersktoffvariante einen geringen Porositätsgrad. Somit hat diese Arbeit die Mikrostruktur stärker in den Fokus genommen als die meisten bisher in der Literatur verfügbaren Studien.
Die mechanische Prüfkampagne umfasste Zugversuche zwischen Raumtemperatur und 650 °C, LCF-Versuche zwischen Raumtemperatur und 600 °C sowie Kriechversuche bei 600 °C und 650 °C. In Ermangelung konkreter Richtlinien und Normen wurde die Charakterisierung zumeist anhand der bestehenden internationalen Prüfnormen und Probengeometrien durchgeführt. Aus jedem dieser Prüfverfahren wurden die entsprechenden Festigkeits- und Verformungskennwerte ermittelt. Darüber hinaus wurde mit Hilfe gezielter mikrostruktureller Untersuchungen ein Beitrag zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften in Bezug auf die Verformungs- und Schädigungsmechanismen geleistet.
Die Dehngrenze von PBF-LB/M/316L ist etwa doppelt so hoch wie die von HR/316L und dieser Trend setzt sich mit ansteigender Prüftemperatur fort. Die Bruchdehnung ist bei allen Prüftemperaturen geringer. PBF-LB/M/316L weist über den größten Teil der Ermüdungslebensdauer vor allem bei Raumtemperatur höhere zyklische Spannungen als HR/316L auf. Ausschließlich bei den kleinsten Dehnungs-schwingbreiten sind die Ermüdungslebensdauer ausgeprägt kürzer. Das Wechselverformungsverhalten von PBF-LB/M/316L ist durch eine Anfangsverfestigung gefolgt von einer kontinuierlichen Entfestigung charakterisiert, welche bis zum Auftreten der zum Versagen führenden Entfestigung stattfindet. Die Kriechbruchzeiten und die Dauer jeder Kriechphase sind bei allen Kombinationen von Prüfparametern bei PBF-LB/M/316 kürzer als bei HR/316L. Die Spannungsabhängigkeit von PBF-LB/M/316L ist im Vergleich zu HR/316L geringer und die Duktilität beim Kriechen kleiner. Die minimale Kriechrate wird bei allen geprüften Parameterkombinationen bei deutlich geringeren Kriechdehnungen erreicht. Eine Wärmebehandlung bei 450 °C / 4 h bewirkt keine wesentliche Änderungen der Mikrostruktur und Zugversuchseigenschaften. Eine zusätzliche Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h verursacht eine Abnahme der Dehngrenze des PBF-LB/M/316L. Diese blieb aber immer noch um den Faktor 1,5x höher als bei HR/316L. Die Verformungsmerkmale wurden kaum davon beeinflusst. Bezüglich des Kriechverhaltens hat die Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h längere sekundäre und tertiäre Kriechstadien bewirkt und die Kriechdehnung hat sich signifikant erhöht. Die Bruchbilder unterscheiden sich generell nicht nur aber vor allem mit ansteigender Prüftemperatur, bei der bei PBF-LB/M/316L oft interkristalline Rissbildung beobachtet wurde. Die Zellstruktur trägt als der Hauptfaktor zu den unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur HR/316L-Variante bei. Darüber hinaus spielen mutmaßlich die Kornmorphologie, die Stapelfehlerenergie und der Stickstoffgehalt eine Rolle.
Motivated by the aim of developing an additive manufacturing (AM) technology easily integrated in the process chains of the ceramic industry, the LSD-print technology was conceived as a slurry-based variation of binder jetting (BJ).
BJ and other powder bed technologies (such as powder bed fusion) are amongst the most successful AM techniques, especially for metals and polymers, thanks to their high productivity and scalability. The possibility to use commercially available feedstocks (in the form of powders or granules) makes BJ also attractive for ceramic materials. The application of these techniques to most advanced ceramics has however been difficult so far, because of the limitations in depositing homogeneous layers with fine, typically poorly flowable powders.
In this context, the "layerwise slurry deposition" (LSD) was proposed at TU Clausthal (Germany) as a slurry-based deposition of ceramic layers by means of a doctor blade. Combined with layer-by-layer laser sintering of the material, the LSD process was originally demonstrated for the rapid prototyping of silicate ceramics. Due to the difficulties in controlling the microstructure and the defect formation in laser-sintered technical ceramics, the LSD process was later combined with inkjet printing in the LSD-print technology, which has been further developed at BAM (Germany) in the past decade.
The LSD-print technology combines the high speed of inkjet printing, typical of BJ, with the possibility of producing a variety of high-quality ceramics with properties comparable to those achieved by traditional processing. Due to the mechanical stability of the powder bed, the process can also be carried out with continuous layer deposition on a rotating platform, which further increases its productivity.
This presentation will delve into 10 years of research on the LSD-print of a wide variety of technical ceramics including alumina, silicon carbides and dental ceramics. The discussion highlights how a seemingly small process and feedstock modification (from powders to slurries) has great influence on the challenges and potential of this process, which are being addressed on its path to industrialization.
The Laser-Induced Slip Casting is an additive manufacturing technology specifically developed for ceramic materials using water-based ceramic slurries. The process takes place layer-by-layer in a similar fashion as top-down vat photopolymerization, selectively consolidating each layer by means of a laser energy source positioned on the top. Contrary to vat photopolymerization, in which the consolidation is achieved by selectively cross-linking a ceramic-filled resin, LIS uses water-based slurries with a low amount of organic additives (typically < 5 wt%) as feedstocks.
In LIS, a green body is formed by local evaporation of water which causes the suspension to collapse forming a cast, following a mechanism similar to slip casting. Only a small content of organic additives is needed to effectively disperse the ceramic particles and to increase the green strength.
The technology is very versatile and can be applied to all ceramic systems that can be dispersed in water. One of the main advantages is that even dark materials such as silicon carbide can be processed without issues related to light scattering and absorption.
The presentation will discuss strengths and limitations of LIS compared to other AM technologies and will highlight the latest results for alumina and for silicon carbide ceramics.
Powder bed technologies are amongst the most successful Additive Manufacturing (AM) techniques. The application of these techniques to most ceramics has been difficult so far, because of the challenges related to the deposition of homogeneous powder layers when using fine powders.
In this context, the "layerwise slurry deposition" (LSD) has been developed as a layer deposition method enabling the use of powder bed AM technologies also for advanced ceramic materials. The layerwise slurry deposition consists of the layer-by-layer deposition of a ceramic slurry by means of a doctor blade, in which the slurry is deposited and dried to achieve a highly packed powder. Not only very fine, submicron powders can be processed with low organics, but also the dense powder bed provides excellent support to the parts built. The LSD technology can be combined with binder jetting to develop the so-called “LSD-print” process. LSD-print combines the high-speed printing of binder jetting with the possibility of producing a variety of high-quality ceramics with properties comparable to traditional processing.
The latest development of this technology shows that it is possible to print ceramic parts in a continuous process by depositing a layer onto a rotating platform, growing a powder bed following a spiral motion. The unique mechanical stability of the layers in LSD-print allows to grow a powder bed several centimeters thick without any lateral support. The continuous layer deposition allows to achieve a productivity more than 10X higher compared to the linear deposition, approaching a build volume of 1 liter/hour.
Abstract Hydrogenated nitrile butadiene rubber (HNBR) elastomer was thermo-oxidatively aged at different temperatures up to 150 °C. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), compression stress relaxation (CSR) and international rubber hardness degree (IRHD) microhardness were used to characterise the chemo-mechanical changes of HNBR O-rings during thermo-oxidative ageing. FTIR shows the development of carbonyl, methyl and ester groups but the nitrile content was not affected by ageing. The effect of sample geometry during CSR was investigated. CSR data were converted through integrated kinetic laws. The conversion has proven its sensibility to detect heterogeneous ageing. This was confirmed by the IRHD measure-ments across the section of O-rings. The influence of compression during ageing was assessed through IRHD measurements across the section of compressed and uncom-pressed aged O-rings. The DLO effect was more pronounced in compressed O-rings. By applying the model of Wise et al., theoretical IRHD and oxidation profiles were determined on the basis of IRHD experimental data of compressed O-rings. Good agreements between the experimental and the theoretical IRHD profiles in the core region were obtained. However, near the edge, the theoretical IRHD values were overestimated.
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.
To address the challenges of the climate crisis, multiple solutions for sustainable energy sources and storage systems are needed. One such solution is lithium-ion batteries (LIBs). Currently, 5 to 30 % of LIBs are discarded immediately after manufacturing. The homogeneous distribution of all materials used in the coating of cathodes and anodes is critical for the quality of LIBs. Furthermore, during formation i.e., the first steps of the charge/discharge cycling, the solid-electrolyte interphase forms on the anode particles, which has a huge impact on the performance. The same happens to some extent on the cathode, forming the cathode-electrolyte interphase. Fluorinated polymers and electrolytes are used in the manufacturing of LIBs. The electrolyte in particular is prone to degradation during formation and aging of the batteries. The interface of the cathode material with the aluminum current collector is also a critical point where degraded fluorine components cause pitting corrosion and at the same time promote passivation of the metal foil. Monitoring the spatial distribution of fluorine on these surfaces and interfaces is essential for sustainable LIB production.
Microplastic reference material is required for validation and harmonization purposes. This includes the analysis of the pure polymer particles and the validation of the respective measurement methods. In addition, there is the harmonization of different laboratories. On the other hand, sample preparation methods must be validated and harmonized with regard to their recovery and subsequent analysis in the respective matrices. For this purpose, we produce reference material candidates in the form of tablets with different mass fractions and particle numbers of polyethelene terephthalate. In the presentation first measurement results by µ-Raman, µ-FTIR, pyrolysis-GC-MS and TED-GC/MS will be presented.
Die Erzeugung rissschließfreier Anrisse in gekerbten bruchmechanischen Proben für anschließende Ermüdungsversuche kann durch eine zyklische Druckbelastung an der Kerbe erfolgen: Bei der Erstbelastung wird eine plastische Verformung an der Kerbspitze erzeugt, welche Zugeigenspannungen und damit eine risstreibende Kraft bei der folgenden zyklischen Druckbelastung hervorruft. Durch das Risswachstum kommt es zu einer Entspannung, bis der Riss schließlich arretiert, weil die effektive risstreibende Kraft auf den Schwellenwert abgesunken ist. Um Kurzrisswachstum in additiv, mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) gefertigtem AISI 316L Stahl und seinem konventionell erzeugten, warmgewalzten Pendant zu untersuchen, wurde dieses Verfahren im Rahmen der vorliegenden Arbeit genutzt. Im Falle des additiv gefertigten Materials kam es zu unerwartet langem Ermüdungsrisswachstum, bevor der Riss arretierte. Zur Ermittlung der Ursache erfolgte eine Messung der Eigenspannungsverteilungen mittels Neutronendiffraktion in der Kerbebene der additiv gefertigten Proben. Anschließend wurde ein Finite-Elemente-Modell zur Simulation des Ermüdungsrisswachstums in konventionellem und additiv gefertigtem Material implementiert. Im Rahmen dieses Vortrages wird insbesondere auf das Vorgehen bei der Simulation und auf die getroffenen Annahmen und Vereinfachungen eingegangen. Die Resultate werden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen und das für die Simulation von Risswachstum genutzte Knoten-Freigabe-Verfahren (Node-Release), das Einbringen von Eigenspannungen als initiale Spannungen in der Simulation, und die Rechengrößen zur Quantifizierung der risstreibenden Kraft kritisch diskutiert.
Several studies have been shown that the electron beam can be used to create nanomaterials from microparticle targets in situ in a transmission electron microscope (TEM). Here, we show how this method has to be modified in order to synthesize plasmonic gold nanoparticles (NPs) on insulating silicon oxide substrate by employing a scanning electron microscope with a comparatively low acceleration voltage of 30 kV. The synthesized NPs exhibit a random distribution around the initial microparticle target: Their average size reduces from 150 nm to 3 nm with growing distance to the initial Au microparticle target. Similarly, their average distance increases. The synthesized NP assemblies therefore show distinctly different plasmonic behaviour with growing distance to the target, which allows to study consequences of random hybridization of surface plasmon in disordered system, such as Anderson localization. To reveal the surface plasmons and their localization behaviour we apply electron energy loss spectroscopy in the TEM.