Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Das vorgestellte Projekt beschäftigt sich mit den optischen, thermophysikalischen und mechanischen Materialeigenschaften von additiv gefertigten Kunststoffteilen und deren Alterung. Dazu wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS hergestellt, die anschließend für drei Monate einer künstlichen Bewitterung unterzogen wurden. Die dabei erzeugte definierte Alterung wurde nach drei Zeitabschnitten jeweils mit zerstörungsfreien Methoden charakterisiert. Dabei wurde neben den spektroskopischen Standardmethoden auch die aktive Thermografie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mittels der Thermografie sowohl chemische Veränderungen als auch mechanische Schädigungen (Fehlstellen) darstellen lassen. Die Bewitterung beeinflusst die Teiltransparenz der Proben zumindest im sichtbaren Spektralbereich, was bei der Charakterisierung der Fehlstellen, die mittels optisch angeregter aktiver Thermografie detektiert wurden, berücksichtigt werden muss.
Es wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS und mittels Laser Sintering (LS) Probekörper aus PA 12 hergestellt, die anschließend für drei Monate einer künstlichen Bewitterung unterzogen wurden. Die dabei erzeugte definierte Alterung wurde nach drei Zeitabschnitten jeweils mit zerstörungsfreien Methoden charakterisiert. Dabei wurde neben den spektroskopischen Standardmethoden auch die aktive Thermografie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mittels der Thermografie sowohl chemische Veränderungen als auch mechanische Schädigungen (Fehlstellen) darstellen lassen. Die Bewitterung beeinflusst die Teiltransparenz der Proben zumindest im sichtbaren Spektralbereich, was bei der Charakterisierung der Fehlstellen, die mittels optisch angeregter aktiver Thermografie detektiert wurden, berücksichtigt werden muss.
Die Erkenntnisse dienen für die Entwicklung einer Strategie für eine Qualitätskontrolle von additiv gefertigten Kunststoffteilen.
Es wurden Prüfkörper aus additiver Fertigung mittels Laser Sinter Verfahren (Polyamid 12, PA 12) und Fused Layer Modeling (Acrylnitril-Butadien-Styrol, ABS) sowie Prüfkörper aus dem Kunststoff-Spritzguss Verfahren (PA 12 und ABS) über 2000 Stunden künstlich bewittert. Vor, während und nach der Bewitterung erfolgte eine zerstörungsfreie Prüfung mittels Thermografie, optischer Mikroskopie und spektralen Methoden (UV/VIS-Spektroskopie und spektrale Reflexion), um den Alterungsfortschritt zu untersuchen und Schäden durch die künstliche Bewitterung sowie eingedruckte Defekte zu identifizieren und zu detektieren.
Zusätzlich wurden zerstörende Zugprüfungen vorgenommen, welche mit einer IR-Kamera verfolgt wurden. Auf diese Weise konnten lokale Temperaturänderungen, hervorgerufen durch elastische sowie plastische Verformungen, zeitaufgelöst erfasst und ausgewertet werden.
Nowadays, various polymeric materials are used in E&E applications with sufficient flame retardance by adding rather different flame retardants. It doesn’t matter whether cables are used outdoor or are installed indoor as building products, the weathering exposures such as UV radiation, humidity and variation in temperature occur and influence the flame-retardant property. Recently, the lifetime of the flame retardance itself becomes an increasingly important factor. In this work, several devices were used to perform accelerated artificial ageing simulating different environment exposures.
The comprehensive and global understanding of the durability of flame retardance in dependence on the weathering or ageing conditions is still a matter of discussion. Therefore, the weathering resistance of various halogen-free fire-retarded polymers was investigated in this work. Polymeric systems with different kinds of fire retardants were chosen, including various fire retardant mechanisms. Ethylene Vinyl Acetate (EVA) blends with high amounts of inorganic flame retardant such as aluminum hydroxide (ATH), boehmite and synergists, which mainly dilutes the polymer resin work as heat sink and cooling agent, and enhance residue formation was examined. Thermoplastic Polyurethane (TPU) was modified with melamine cyanurate (MC), which mainly acts by changed melt flow and dripping behavior as well as fuel dilution. Additionally, aluminum diethylphosphinate and boehmite are induced as assistant flame retardant. Furthermore, glass fiber reinforced Polyamide 66 (PA) was investigated containing different kinds of aluminum diethylphosphinate based flame retardant mixtures, which acts by flame inhibition and additional char formation.
The degradation of the surface was analyzed after the different weathering conditions. Most of the specimens exhibited an intensive material degradation at the top surface accompanied by a distinct discoloration, e.g. getting darker or showing yellowing. The weathering of the EVA samples lead to numerous cracks (already) after 4000 h. The corresponding changes in the chemical structure was investigated by ATR FT-IR for all materials.
The flammability was investigated by cone calorimeter, UL-94 burning chamber, and oxygen index (LOI) using plate and bar specimens. The flame retardance of most of the materials studied degrades only slightly or were rather stable for the investigated exposure times. Interestingly, also some opposite results were found. EVA modified by different inorganic flame retardants such as ATH achieved higher LOI after exposing in the humidity chamber and the accelerated oxidation under water in the autoclaves. It is suggested that the particle size of ATH and boehmite plays an important role, when these flame retardants agglomerate at the surface during accelerated weathering.
Both materials, EVA and TPU, were also investigated as cable jackets. While EVA modified with inorganic flame retardants exhibits low-smoke and non-dripping fire behavior, TPU flame-retarded with MC yields cables with pronounced melt-dripping. Cone calorimeter tests were carried out using cable rafts of the size of 100 mm * 100 mm as well as our self-made cable module test, which simulates the vertical full-scale test of a bundle of cables at the bench-scale. Both methods were used to investigate the weathering resistance of the flame retardance in cables. The results of the cable module test for the flame-retarded EVA cables were only slightly affected even when a long time hydrothermal ageing was carried out. This is because of inorganic residue which just delays the fire growth but does not extinguish. However, for the flame-retarded TPU cable jackets, the cable module test exhibited an accelerated fire spread and a melt-dripping behavior which was promoted by weathering exposure.
Water migration in one-side heated concrete: 4D in-situ CT monitoring of the moisture-clog-effect
(2019)
Explosive spalling due to fire exposure in concrete structures can lead severe damage and, in the worst case, to premature component failure. For this reason, an in situ investigation of water Migration in concrete due to surface heating was undertaken.
During these experiments, a miniaturized concrete specimen within a confining and insulating double-hull was subjected to surface heating during simultaneous X-ray computed tomography (CT) scanning. Through the use of subtraction-based Image analysis techniques, it was possible to observe and quantify not only drying within areas of the concrete matrix close to the heated surface, but also the migration of moisture to both pore and matrix regions deeper within the specimen. It was also discovered that the correction of CT images for specimen deformation using DVC and variable detector performance using calibrated image filters significantly improved the quality of the results. This clearly demonstrates the potential of X-ray CT for evaluation of other rapid-density-change phenomena in concrete and other building materials.
Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.
Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.
Ziel des Projektes ist die Qualifizierung von Duplexstählen in Tunnelbauwerken um die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu den bislang gebräuchlichen rostfreien Edelstählen 1.4404 und 1.4571 zu eruieren. Da Duplexstähle im Vergleich zu austenitischen Stählen über eine doppelt so hohe Festigkeit verfügen, können Bauteile schlanker konstruiert werden, wodurch Material eingespart werden kann. Neben der Wirtschaftlichkeit muss die Dauerhaftigkeit untersucht werden. Dazu wurden speziell konzipierte Wand- und Deckenracks mit unterschiedlichen metallenen Werkstoffen und Oberflächen hergestellt und in den Tunnelbauwerken montiert. Nach bestimmten Auslagerungszeiten von bis zu drei Jahren werden die Proben demontiert und auf ihr Korrosionsverhalten untersucht. Ein weiteres Ziel neben der Qualifizierung der Werkstoffgruppe sind die Reduktion der Instandsetzungs- und Wartungsmaßnahmen der Tunnelbetreiber.
Ergebnisse aus dem AiF Forschungsvorhaben IGF 18823 N/1 "Optimierung von Korundschleifprozessen"
Ein Referenzwerkstoff mit einem definierten Oberflächenzustand wurde zunächst umfassend mittels elektrochemischer Korrosionsuntersuchungen, KorroPad-Untersuchungen und oberflächenanalytischer Verfahren charakterisiert. Anhand definierter Schleifversuche an diesem Referenzzustand wurden anschließend verschiedene Schleifparameter variiert, deren Auswirkungen auf die Korrosionsbeständigkeit mit den gleichen Methoden beurteilt wurden. Somit war es möglich, den Einfluss einzelner Schleifparameter auf das Korrosionsverhalten aufzuzeigen.