Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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- Reference methods (1)
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- Rundnähte (1)
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- Scanning electron microscopy (1)
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- Transmission electron microscopy (1)
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- Tribofilm (1)
- Tribologie (1)
- Tribologische Datenbank (1)
- Tribologsches Charakterisierungsdienste (1)
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- Verwitterung (1)
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- Viskosität (1)
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- Wasserstoffspeicher (1)
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- Wear resistance (1)
- Weathering resistance (1)
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- Weld pool behavior (1)
- Weld pool shape approximation (1)
- Werkstoffauswahl (1)
- Werkstoffe (1)
- Werkstoffprüfung (1)
- Wiederkehrende Prüfung (1)
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- Wirbelstrom (1)
- Wirbelstromprüfung (1)
- Wirbesltrom (1)
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- X-ray CT (1)
- X-ray and electron diffraction (1)
- X-ray imaging (1)
- X-ray spectroscopic techniques (1)
- X-ray spectroscopy (1)
- X-ray-CT (1)
- X38CrMoV5-3 (1)
- XANES (1)
- Young's modulus (1)
- ZfP (1)
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- Zinkdeckschichten (1)
- Zirconia (1)
- Zonation (1)
- Zugprüfungen (1)
- Zugversuch (1)
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- Zündquellen (1)
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- alumina (1)
- arbon capture (1)
- attraktive Wechelwirkung (1)
- carbon steel (1)
- ceramics (1)
- condensate (1)
- copper (1)
- degradation (1)
- dielectric spectroscopy (1)
- electrochemical characterization (1)
- ethylene vinyl acetate (1)
- fatigue crack growth (1)
- gas separation membranes (1)
- geothermal energy (1)
- i-Tribomat (1)
- impurities (1)
- leakage (1)
- mechanical properties (1)
- microstructure analysis (1)
- molecular mobility (1)
- nanoindentation (1)
- performance test (1)
- pitting corrosion (1)
- polymers (1)
- polymers of intrinsic microporosity (1)
- polynorbornenes (1)
- product specification (1)
- rubber (1)
- selective laser melting (1)
- single cell-ICP-ToF-MS (1)
- single particle-ICP-ToF-MS (1)
- steel (1)
- uncertainty (1)
- utilization, and storage (CCUS) technology (1)
- volume resistivity (1)
- Überlappbereich (1)
- μCT (1)
Organisationseinheit der BAM
- 9 Komponentensicherheit (105)
- 6 Materialchemie (95)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (82)
- 7 Bauwerkssicherheit (79)
- 5 Werkstofftechnik (64)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (57)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (52)
- 8.5 Röntgenbildgebung (42)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (39)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (31)
Eingeladener Vortrag
- nein (443)
Even for the basic measurements of material data for design and engineering of composite structures there is a need to upgrade standards. With a new shear frame test rig more precise values can be obtained.
With advanced methods in the research on the fatigue behaviour of FRP it was found a load level of infinite life for GFRP and CFRP. This is in the range of typical strain values of airliners and rotor blades in normal operation.
Statistically the mean time between damage events on rotor blades is 6 years (Deutscher Windenergie Report 2006). Due to imperfection in the production the shell structures get cracks after a few years fare before the designed life time. A shell test rig was built at BAM for efficient research on the effects of defects in production.
Test blades of ~10m are an efficient way for SHM research and evaluation of NDT-methods and blade geometry.
The Interdisciplinary Alchemist: Reproduction and Study of Black Inks from the Islamicate World
(2019)
The identification of the materials constituting an artefact is the basis of any correct conservation project, for this reason (among others) in the last 50 years analytical techniques have been applied to the study of manuscripts. Unfortunately, the scientific investigation of Arabic books is still uncommon, focusing mainly on single case studies, often producing unclear results, especially for black inks. This lack of knowledge prompted a recent research in which black ink recipes have been collected from written Arabic sources on bookmaking, their feasibility has been assessed, and finally some of them have been reproduced. These samples were artificially aged and analysed through an array of analytical techniques, mostly non-invasive and non-destructive, in order to build a database of Arabic inks and their ingredients and also to verify the detection limits of the portable equipment employed. In this talk I will present some instances of how this approach can help textual criticism, for example in evaluating variants and determining the competence of authors and compilers. At the same time the research highlights how much this scientific work depends on textual studies, especially concerning the identification of ingredients. Moreover, I will focus on some of the problematics I faced both during the textual interpretation and the actual reproduction of the recipes and how they influenced the results of the scientific analyses. In particular I’ll look into the role played by the degree of purity of the components and the function (real and perceived) of some of the ingredients.
Functional materials for energy conversion are important technology drivers needed for the implementation of low carbon energy. Therefore, researchers commonly focus on improving the intrinsic properties of a functional material. However, for applications, the extrinsic properties are at least as important as the intrinsic ones. Consequently, it is important to investigate and understand the external and internal structure of semi-finished products and especially defect dependent properties. The extrinsic properties may change during application and the life cycle of the material as well as through processing and molding steps.
Our studies show how X-ray tomographic (XCT) investigations can contribute to structure investigations in composites and massive samples using the example of magnetic materials for energy conversion. The components are tested non-destructively in 3D in order to localize and characterize cracks, pores, inclusions as well as other defects and their influence on the functional properties and also “in-time” during the life cycle of the material. Exsitu and in-situ experiments performed with non-destructive XCT are predestinated to follow damaging mechanisms of materials under certain load conditions, atmospheres or liquids, e.g. went through several working cycles of a functional material. By combining microtomography with other methods of magnetic and classical material characterization, unique statements about the structure and the functional properties can be made.
From the applications point of view, sometimes complex, three-dimensional geometries are needed to fully exploit the functional properties of the materials, e.g. to ensure a high surface area for heat exchange. Since many functional materials are brittle and difficult to form, shaping is often a big challenge. In principle, additive manufacturing processes offer the possibility to produce complex, porous components from poorly formable alloys.
If all stages of additive manufacturing are accompanied by X-ray tomographic imaging, the process of finding the optimal parameters for material processing can be significantly accelerated.
Based on the quality control of the initial powder material used and also investigations of the shape and arrangement of defects within the molten structure and their relationship with the melting path scanning strategy, Xray tomography has proven to be an ideal tool for additive manufacturing, even for functional materials. Overall, tomographic methods are important tools for the development of functional materials to application maturity.
The deep penetration laser beam welding (LBW) has developed to one of the most promising metal joining methods in the modern manufacturing industry. It has well-known advantages of good penetration capacity, low heat input, high reachable welding speed and low welding distortion in comparison to conventional arc welding techniques. However, there are still challenges in LBW making the realization of the advantages difficult, such as porosity or inhomogeneous element distribution when using filler material. The magnetohydrodynamics technique is a promising way to solve these issues by introducing a suitable electromagnetic field, and correspondingly Lorentz force, to control the Transport phenomena in the weld pool.
The underlying physics in wire feed laser beam welding with electromagnetic stirring were investigated numerically and experimentally. A three-dimensional transient heat transfer and fluid flow model coupled with dynamic keyhole, magnetic induction and element transport was developed for the first time. The electromagnetic behaviour as well as the temperature and velocity profiles, solidification parameters, keyhole evolution and element transport are calculated.
The model is well tested against the experimental results. The beneficial effects from electromagnetic stirring (element homogenization and grain refinement) are explained quantitatively using the numerical data and the results from high-speed imaging, OM, EDX and EBSD.
In this presentation the main requirements of BAM-GGR 016 regarding maintenance and periodic inspections were explained. BAM ensures during acceptance of the quality management program that specific and relevant instructions for maintenance and periodic inspections are developed and handed to the operator of the packaging. Examples are given.
It was found for inorganic/polymer nanocomposites that a so-called Rigid Amorphous Phase (RAF) is formed in the interfacial region by adsorption of polymer segments onto the nanoparticles. The segmental dynamics of RAF is expected to be altered, as compared to the pure matrix, which might percolate into the entire system, affecting the overall nanocomposite properties. Here, the structure and molecular mobility of epoxy-based PNCs with different nanofillers (layered double hydroxide and boehmite) was studied by a combination of calorimetric and X-Ray scattering techniques. Temperature modulated DSC (TMDSC) showed that depending on the nanofiller, RAF can reach up to 40 wt % of the system or, on the contrary, the overall mobility of the matrix might increase due to the presence of particles. Such contrasting results, including the high amount of RAF, which was never shown before for epoxy-based PNCs, emphasize the importance of interfaces. Additionally, glass transition and glassy dynamics were investigated by a novel technique, Flash DSC (heating rates up to 10 kK/s) employed for the first time to a thermosetting system and electrospun fibers, which did not result in their degradation. It was used to study both the vitrification kinetics and glassy dynamics of the PNCs, for instance further confirming the presence of RAF and its impact on the overall material properties.
Tuff ist in vielen historischen Objekten in Deutschland verbaut, hat aber wegen seiner Porosität und hygrischen Eigenschaften eine schlechte Verwitterungsresistenz. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines gesteinsmehlmodifizierten Schutzsystems auf Kieselsäurebasis (GEMOSK) zur Konservierung verbauter Tuffe. Für die Schutzmittelherstellung wird eine geeignete Mischung aus Kieselsol und feinen Gesteinsmehlen aus Steinbruchrückständen und Tuffabfällen verwendet. Bei erfolgreichem Abschluss des Projektes kann GEMOSK im Denkmalpflegebereich eingesetzt werden. Dadurch werden die Bausubstanz besser erhalten, Tuffsteinressourcen eingespart und Tuffabfälle wiederverwertet.
Das Fügeverfahren Kleben bietet viele Vorteile, wie z.B. das Verbinden unterschiedlicher Materialklassen, geringe thermische Belastung (und damit ggf. verbundene Strukturveränderung/-schwächung) der Fügeteile und eine Lastverteilung über den gesamten Fügebereich. Die Auswahl an verfügbaren Klebstoffen und Vorbehandlungsoptionen sind dabei - wie die Applikationen auch - vielfältig. Es werden vier Applikationsbeispiele zu Referenzklebverbunden aus Edelstahl, zur Plasmaaktivierung von Niedrigenergie-Polymeren, zur Bestimmung der Haftfestigkeit von Lackierungen auf GFK und zur Wirkung von Primern vorgestellt. Einige Polymere weisen z.B. Eigenschaften auf, die eine Herstellung von festen und dauerhaft beanspruchbaren Kleb-verbindungen erschweren. Im Allgemeinen geht dies mit geringen Oberflächenenergien einher. Mittels Oberflächenvorbehandlung, z.B. durch Plasmafeinreinigung bzw. Plasmaaktivierung, können die Grenzflächen solcher Polymere - bezogen auf die Eignung als Fügeteile (Klebfestigkeit) oder als Substrat (Haftfestigkeit) – optimiert bzw. die Oberflächenenergie erhöht werden. Schnelle, zuverlässige und statistisch abgesicherte Prüfverfahren zur Ermittlung von Verbund-eigenschaften sind dabei unverzichtbar.
Challenges in Traceable Size Measurement of Non-Spherical, Non-Monodisperse Nanoparticles - nPSize
(2019)
Size measurement of nanoparticles (NP) becomes a challenging analytical problem when non-spherical shapes must be traceably measured. However, most industrial NPs have irregular shapes and broad size distribution making it often more complex to follow European regulatory to identify a material as a nanomaterial according to which accurate measurement of the smallest dimension and its size Distribution is necessary.
The European research project nPSize - Improved traceability chain of nanoparticle size measurements aims to fill this gap by developing potential non-spherical reference nanoparticles, measurement procedures and physical modelling to improve the traceability chain, comparability and compatibility for NP size measurements between different methods. Therefore, new model NP with well-controlled shape has been synthesized and are supposed to be systematically characterized using the traceable methods scanning/transmission electron microscopy, atomic force microscopy and small angle X-ray scattering.
Following NP candidates are under investigation with respect to their homogeneity and stability: (i) titania nanoplatelets (10-15 nm thickness x 50-100 nm lateral), (ii) titania bipyramides (~60 nm length x 40 nm width), (iii) titania acicular particles (100 nm length x 15-20 nm width; aspect ratio 5.5/6), (iv) gold nanorods (~10 nm width x 30 nm length), and (v) gold nanocubes (~55 nm x 55 nm x 55 nm). In addition, sample preparation procedures as well as measurement analysis procedures with evaluation of appropriate measurands and descriptors for each material class and method are being developed to support standardization. To underpin the traceability of the size measurement of nonspherical NP, physical modelling of the signals in e.g. electron microscopy techniques will be used and in combination, the implementation of machine learning is aimed to facilitate measurement Analysis procedures, especially regarding the accurate thresholding/segmentation of the NPs.zeige mehr
Die Präsentation gibt einen Überblick bezüglich der von der BAM im Rahmen des SimCoLas Verbundprojekts durchgeführten Arbeiten zum Thema "Photonische Prozessketten". Die numerisch abgebildete Prozesskette Tiefziehen/Laserstrahlschweißen wird darsgestellt und diskutiert. Fokus der Diskussion ist die entwickelte Methodik zur konsistenten Abbildung numerischer Prozessketten mit der Applikation Heissrisskritikalität beim Laserstrahlschweißen.
Der Vortrag gibt einen Überblick über Arbeiten im Rahmen der Themenstellung "photonische Prozessketten" des SimCoLas Projekts. Es werden Ergebnisse zur Datendurchgängigkeit der Prozesskette Umformen/Laserstrahlschweißen sowie erste Ergebnisse zu numerischen Schweißstruktursimulationen zur Bewertung der Heissrisskritikalität eines tiefgezogenen Napfes beim Laserstrahlschweißen gegeben.
Laser beam welding of aluminum die casting is challenging. A large quantity of gases (in particular hydrogen) is absorbed by aluminum during the die-cast manufacturing process and is contained in the base material in solved or bound form. After re-melting by the laser, the gases are released and are present in the melt as pores. Many of these metallurgic pores remain in the weld seam as a result of the high solidification velocities. The natural (Archimedean) buoyancy is not sufficient to remove the pores from the weld pool leading to process instabilities and poor mechanical properties of the weld. Therefore, an electromagnetic (EM) system is used to apply an additional buoyancy component to the pores. The physical mechanism is based on the generation of Lorentz forces, whereby an electromagnetic pressure is introduced into the weld pool. The EM system exploits the difference in electrical conductivity between poorly conducting pores (inclusions) and the comparatively better conducting aluminum melt to increase the resulting buoyancy velocity of the pores. Within the present study, the electromagnetic supported degassing is investigated in dependence on the laser beam power, welding velocity and electromagnetic flux density. By means of a design of experiments a systematic variation of these parameters is carried out for partial penetration laser beam welding of 6 mm thick sheets of wrought aluminum alloy AlMg3 and die-cast aluminum alloy AlSi12(Fe) where the wrought alloy serves as a reference. The proportion of pores in the weld seams is determined using X-ray images, computed tomography (CT-) images and cross-section images. The results prove a significant reduction of the porosity up to 70 % for both materials as a function of the magnetic flux density
Diffraction-based experimental determination of Residual Stress in AM parts: A critical discussion
(2019)
Additive manufacturing (AM) technologies have experienced an exceedingly rapid growth, not always paralleled by the knowledge about the materials properties and performance. In particular, residual stress (RS) has been soon recognized as an issue in AM parts, so that parts are always post-heat-treated. Moreover, much effort has been spent on simulating RS, especially using finite element methods.
The experimental determination of RS has thereby become increasingly important, and even simple data constitute (to date) a piece of knowledge to fill the above-mentioned gap. In particular, diffraction methods, which are basically non-destructive, offer enormous possibilities to gain knowledge on real components, since neutrons and synchrotron radiation can penetrate even heavy metals up to several millimeters (or even centimeters). Indeed, some success has been obtained, and the knowledge about the origins of the RS fields, as well as their variation as a consequence of heat or mechanical treatments, has been greatly expanded.
In this talk, a few success stories will be outlined. It will be shown how the determination of RS in metallic parts (with focus on those produced by laser powder bed fusion) has even allowed showing that process parameters that were considered unimportant play a major role in the onset of stress.
However, while RS is starting to be considered in the part design, deposition strategy (e.g. build plate temperature), and even in the definition of the relevant metric to assess the quality of a part, much is still to be investigated about the hypotheses underlying its experimental determination. Therefore, some aspects to be aware of, or even to date unclear will also be discussed, such as the determination of the reference unstrained samples and of the principal axes of stress. All these aspects will draw the path towards a comprehensive understanding of the process-structure-performance relationships in AM materials and parts.
Die zunehmenden Nachweise von Kunststoffen in verschiedenen Umweltmedien erfahren in den letzten Jahren weltweit ein zunehmendes wissenschaftliches, gesellschaftliches und politisches Interesse. Besondere Aufmerksamkeit erfahren Kunststoffpartikel von 1-1.000 µm sogenanntes Mikroplastik. Es wurde mittlerweile in Wasser, Böden, Luft und Biota nachgewiesen. Obwohl die Wirkungen auf die natürlichen Umweltfunktionen noch unklar sind und kontrovers diskutiert werden, ist allein durch die ubiquitäre Präsenz eine systematische Erfassung von Eintragsquellen und Verbleib der Partikel über alle Umweltmedien notwendig, um Maßnahmen zur Reduktion der Einträge zu veranlassen.
Für eine zuverlässige Erfassung sind medienübergreifende Verfahren zu entwickeln, welche die drei analytischen Schritte, Probennahme, Probenaufbereitung und Detektion beinhalten. Die Verfahren adressieren unterschiedliche Zielgruppen, welche verschiedene analytische Informationen fordern. Für die akademische Bewertung werden Verfahren mit hohem analytischen Aufwand favorisiert, welche möglichst detaillierte Information über Partikelsorte, -größe, -zahl und -oberflächenbeschaffenheit geben. Im Gegensatz dazu, fordern Anwender aus der Praxis schnelle und einfache Monitoring Verfahren, welche die Bestimmung eines Massengehaltes, bzw. eines Grenzwertes zulassen. Allen ist gemeinsam, dass ein hoher interdisziplinärer Anspruch besteht, der sowohl technische Voraussetzungen zur repräsentativen Probennahme und die Limitationen von Detektionsverfahren berücksichtigt, als auch die Fachkompetenz von Biologen, Umweltwissenschaften, Analytiker und Polymerwissenschaftler einschließt.
Verfahren zum Mikroplastiknachweis müssen auch verschieden Proben mit sehr unterschiedlichen Gehalten an natürlicher Matrix gerecht werden. So müssen allein für Wasser Verfahren entwickelt werden, die Mikroplastik verschiedener Form (sphärische Partikel, komplexe Bruchstücke, Fasern) aus Medien mit sehr variablen Partikelanteil (u.a. Trinkwasser, Oberflächenwasser, Abwasser) repräsentativ erfassen sowie schnell und kostengünstig sind – einschließlich der notwendigen Probenaufbereitung. Die jeweiligen Detektionsverfahren müssen z.B. einzelne Partikel oder integrale Gehalte über drei Dekadenklassen für thermoplastische und insbesondere auch elastomere Partikelsorten erfassen können.
Im Vortrag werden Ergebnisse eines Forschungsvorhabens des DVS vorgestellt, in dem ein Verfahren zur Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich einer laserstrahlhybridgeschweißten Rundnaht entwickelt wird. Die Strategie der Prozessführung beim Schließen der Rundnaht sieht hervor, dass ein fehlerfreier Überlappbereich durch die Kontrolle der Erstarrungsbedingungen am Schweißnahtende erreicht wird. Die kontrollierte Wärmeführung wird durch eine Anpassung der Parameter von beiden beteiligten Schweißprozessen, dem Laserstrahl- sowie MSG-Schweißprozess realisiert. Es konnte gezeigt werden, dass eine Defokussierung des Laserstrahls von bis zu 40 mm über den Weg von max. 15 mm während der Bewegung des Schweißkopfes zu einer deutlich besseren Nahtausbildung im Überlappbereich führt. Es konnte eine günstige kelchförmige Schweißnahtform ohne eine Tendenz zur Rissbildung erzielt werden.
Extensometer sind seit Jahrzehnten im Einsatz und bilden die Basis für eine präzise Dehnungsmessung in werkstoffmechanischen Versuchen. Jedoch ist die Temperaturstabilität von Extensometern häufig noch nicht ausreichend beachtet worden, um Fehler verursacht durch Temperaturschwankungen zu minimieren. Dieses wird derzeit nicht nur in Deutschland, sondern auch international zunehmend diskutiert. Datenblätter von Extensometern sind teils unvollständig besonders hinsichtlich von Temperatureinflüssen. Extensometer für den Einsatz bei höheren Temperaturen sollen z.B. laut Normen für dehnungsgeregelte Ermüdungsversuche mit Luft oder Wasser aktiv gekühlt werden. Jedoch schreiben die Normen keine Temperatur-Toleranzen für Extensometer vor. Dehnungsfehler verursacht durch Temperaturschwankungen am Extensometer bleiben meist verborgen, da die Temperatur des Extensometers standardmäßig gar nicht gemessen wird. Die Ursache von Einflüssen zur Temperaturstabilität von Extensometern wird erläutert. Ein einfaches Rechenbeispiel zeigt die Empfindlichkeit von Extensometern gegenüber Temperaturschwankungen und die Auswirkungen auf den Dehnungsfehler. Lösungsmöglichkeiten zur Optimierung werden aufgezeigt. Der Anwender von Extensometern soll sensibilisiert werden, um der Temperaturstabilität von Extensometern sowohl hinsichtlich Herstellerspezifikationen als auch bei der Anwendung von Extensometern im Prüflabor mehr Aufmerksamkeit zu schenken, um letztlich die Qualität von Versuchsergebnissen zu verbessern. Empfehlungen an Extensometerhersteller werden formuliert. Dieses Thema wird zukünftig auch in Prüfnormen mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Es werden Maßnahmen zur Verbesserung der Temperaturstabilität von Extensometern Einzug in Prüfnomen finden, um letztlich verlässlichere Versuchsergebnisse zu erhalten. Es ist beabsichtigt, eine Verbesserung der Temperaturstabilität von Extensometern z.B. bei der nächsten Revision der Prüfnormen ISO 12106 und ISO 12111 für dehnungsgeregelte LCF- und TMF-Versuche zu berücksichtigen.
Localized laser surface treatments are able to produce tailor-made surface properties to fulfill requirements of a variety of technical applications. Especially micrometric surface topologies can be beneficial for optimizing tribological contact situations. Structures with lowered surface features are already utilized for bearings or cylinders of combustion engines. There are also other fields of application, where the potential of protruding surface features is known, e. g. for metal forming tools.
A promising approach for a tailored surface treatment working in the microsecond range is the localized dispersing of hard ceramic particles by pulsed laser radiation, the so-called laser implantation. This technique is able to produce micrometric surface structures and to improve simultaneously the wear resistance by creating metal matrix composites.
In this talk, the laser implantation technique is described and compared to the state of the art. The potential to adjust the geometry as well as the mechanical properties of laser implanted surfaces is demonstrated by means of microstructural and topographical investigations of different ceramic materials and steel substrates. Finally, results of research projects are presented aiming on the application of such structured surfaces. Their capability to change and optimize friction and wear are demonstrated for fully lubricated contacts, tools for hot sheet metal forming and tools for cold rolling of sheets for automotive applications.
Das Prozessmonitoring stellt einen wichtigen Baustein für eine Qualitätssicherung additiv gefertigter Bauteile dar, insbesondere bei kleinen Losgrößen. Der Vortrag zeigt einen Überblick aktueller Entwicklungen der BAM im Bereich des Prozessmonitorings für das Laserstrahlschmelzen (laser powder bed fusion) metallischer Werkstoffe. Durch Vergleich mit der Referenzmethode Computertomografie wird am Beispiel der thermografischen Verfahren gezeigt, wie relevante Defekte in Bauteilen detektiert werden können und Einsatzpotenziale sowie Limitierungen aufgezeigt.
Polymers of intrinsic microporosity (PIMs) have recently emerged as novel materials for a broad range of high-performance applications from gas separation to electronic devices. The very rigid, contorted polymer chains show only limited molecular mobility and therefore pack inefficiently giving rise to intrinsic microporosity with pore sizes generally smaller than 1 nm resulting in BET surface areas larger than 700 m2/g. Using conventional thermal analysis techniques, no glass transition temperature (Tg) of PIMs could be unambiguously detected up to now. Employing fast scanning calorimetry (FSC) based on a one chip sensor, decoupling the time scales responsible for the glass transition and the thermal decomposition is a reliable strategy to overcome this limitation. The FSC device is capable to heat and cool a small sample (ng-range) with ultrafast rates of several ten thousand K/s. Evidence of a glass transition is obtained for a series of PIMs with different chain rigidities. Local small-scale fluctuations are held responsible for the glass transition of highly rigid PIMs rather than segmental motions as in conventional polymers.
In diesem Verbundvorhaben werden standardisierte Messverfahren für hybride Gemische erarbeitet, die der Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen des Explosionsschutzes dienen. Unter einem hybriden Gemisch wird dabei ein mehrphasiges System aus Brenngas oder brennbarem Dampf, sowie Luft und brennbarem Staub verstanden. Die Veröffentlichung der Ergebnisse erfolgt in einem Abschlussbericht und als DIN-Spezifikation (DIN SPEC). Diese DIN SPEC versetzt Prüfinstitute und Industrie in die Lage, Explosionsgefahren beim Betrieb technischer Anlagen mit hybriden Gemischen einzuschätzen und damit Prozesse sowohl sicherer als auch effizienter zu steuern. Dieses Projekt wird im Rahmen des WIPANOProgramms (Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen) vom BMWi gefördert.
Demonstrationsexperimente
(2019)
Korrosionsprüfung
(2019)
The combination of tomographic, microstructural data with other experimental techniques and with modeling is paramount, if we want to extract the maximum amount of information on material and component properties. In particular, quantitative image analysis, statistical approaches, direct discretization of tomographic reconstructions represent concrete possibilities to extend the power of the tomographic 3D representation to insights into the material and component performance. This logic thread equally holds for industrial and academic research and valorizes expensive experiments such as those carried out at synchrotron sources, which cannot be daily repeated.
I will show a few examples of possible use of X-ray tomographic data for quantitative assessment of damage evolution and microstructural properties, as well as for non-destructive testing. Examples of micro-structured inhomogeneous materials will be given, such as Composites, Ceramics, Concrete, and Additively manufactured parts. I will also show how X-ray refraction computed tomography (CT) can be highly complementary to classic absorption CT, being sensitive to internal interfaces.
Additionally, I will show how Neutron Diffraction, which is extremely well suited to the study of internal stresses, both residual and under external load, can well be coupled to the microstructural framework gained by CT, allowing understanding the microstructure-property relationships in materials.
Finally, I will show that BAM is very active in standardization and certification, including production of Reference Materials and Methods.
The combination of tomographic, microstructural data with other experimental techniques and with modeling is paramount, if we want to extract the maximum amount of information on material and component properties. In particular, quantitative image analysis, statistical approaches, direct discretization of tomographic reconstructions represent concrete possibilities to extend the power of the tomographic 3D representation to insights into the material and component performance. This logic thread equally holds for industrial and academic research and valorizes expensive experiments such as those carried out at synchrotron sources, which cannot be daily repeated.
I will show a few examples of possible use of X-ray tomographic data for quantitative assessment of damage evolution and microstructural properties, as well as for non-destructive testing. Examples of micro-structured inhomogeneous materials will be given, such as Composites, Ceramics, Concrete, and Additively manufactured parts. I will also show how X-ray refraction computed tomography (CT) can be highly complementary to classic absorption CT, being sensitive to internal interfaces.
Additionally, I will show how Neutron Diffraction, which is extremely well suited to the study of internal stresses, both residual and under external load, can well be coupled to the microstructural framework gained by CT, allowing understanding the microstructure-property relationships in materials.
Es besteht die grundsätzliche Anforderung, dass alle nichtmetallischen und metallischen Materialien nur dann in Sauerstoffanwendungen eingesetzt werden dürfen, wenn sie sicherheitstechnisch auch für die entsprechenden Betriebsbedingungen geeignet sind. Der Vortrag stellt nicht nur die gängigen Prüfverfahren und Beurteilungskriterien. Es werden auch die folgenden Fragen beantwortet, die häufig von Wirtschaftsunternehmen und Verbänden gestellt werden:
- Welchen praktischen Anwendungsfall bilden die Prüfungen ab?
- Welche Untersuchungsmethoden führt die BAM durch?
- Warum verwendet die BAM ergänzende Beurteilungskriterien bei der sicherheitstechnischen Interpretation von Prüfergebnissen?
- Warum empfiehlt die BAM chargenbezogene Materialprüfungen?
- Worin unterscheiden sich die zwei von der BAM verwendeten Methoden zur Beurteilung der Ausbrennsicherheit von Armaturen und Anlagenteilen und welche Vor- und Nachteile bietet jede dieser Methoden?
Grundsätzlich dürfen alle nichtmetallischen und metallischen Materialien nur dann in Sauerstoffanwendungen eingesetzt werden, wenn sie sicherheitstechnisch für die Betriebsbedingungen geeignet sind. Neben allgemeinen Sauerstoff-spezifischen Anforderungen stellt der Vortrag die standardisierten Prüfverfahren und die Untersuchungsmöglichkeiten der BAM vor. Die Beurteilungskriterien für die Prüfverfahren werden kritisch betrachtet und es wird erklärt, in welchen Fällen und aus welchen Gründen die BAM ergänzende Beurteilungskriterien verwendet. Um den tatsächlichen, praktischen Anwendungsfall abzubilden, ist unter gewissen Umständen die Anpassung des Prüfumfangs möglich. Außerdem wird dargestellt, warum die BAM chargenbezogene Materialprüfungen empfiehlt.
Auch Sauerstoff- Armaturen und Anlagenteile müssen sicherheitstechnisch für die Betriebsbedingungen geeignet sein. Zur Beurteilung der Ausbrennsicherheit werden die zwei an der BAM praktizierten Vorgehensweisen mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen vorgestellt: Untersuchung der Armatur als komplette Funktionseinheit bzw. Beurteilung der Armatur auf Basis der Untersuchungen der eingesetzten Materialien. Neben den Anforderungen aus produktspezifischen Normen wird auch für diesen Fall kurz erklärt, in welchen Fällen und aus welchen Gründen die BAM ergänzende Beurteilungskriterien verwendet bzw. den Prüfumfang anwendungsfallbezogen anpasst.
Force-distance curves have been recorded on thin films of lubricants. The lubricants wet the AFM tip, which causes a capillary force. This force depends on the shape of the tip, as well as on physical properties like viscosity and surface tension, which have been determined additionally with other methods. This way, their influence on the shape of the curves could be analyzed.
At BAM, which is a federal institute for materials research and testing in Germany, it is one of our tasks to evaluate the safety of casks designed for transport and/or storage of radioactive material. This includes assessment of elastomeric seals applied in the casks. One of the aims is to identify a suitable method for estimating the service lifetime of the seals with regard to the requirements for long-term safety (40 years and more) of the containers. Therefore, we started an accelerated ageing programme with selected rubbers often used for seals (HNBR, EPDM and FKM) which are aged at four different temperatures (75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C) for up to five years. In order to assess sealability, O-rings were aged in compression by 25 % (corresponding to the compression during service) between plates as well as in flanges that allow leakage rate measurements. For comparison, uncompressed O-rings were aged as well. In order to understand the underlying ageing mechanisms in each material, material properties such as hardness, density and tensile properties were examined. Additionally, compression set (CS), which represents the recovery behaviour of a seal after release from compression, is measured. For obtaining results closely related to practical conditions, O-rings with a full-scale cord diameter of 10 mm were aged. However, this set-up can lead to heterogeneous ageing caused by diffusion-limited oxidation (DLO) effects especially for HNBR, resulting in distorted bulk properties such as compression set. However, if DLO-affected data is excluded, extrapolations of CS data are possible using time-temperature shifts.
For selecting an appropriate end-of-lifetime criterion, leakage rate measurements were performed, since leakage rate is the only characteristic directly correlated to the performance of the sealing system. A significant increase in leakage rate was considered as the end of the lifetime. However, the O-rings remained leak tight under static conditions even though material properties had already degraded strongly. For this reason, a modified, more demanding leakage test involving a fast small decompression of the seal was developed that allowed determining a more conservative end-of-lifetime criterion with a safety margin for EPDM seals. FKM, which is a very heat and oxidation resistant material, exhibited only little degradation, even though it had the smallest activation energy.
At the Stakeholder meeting of the EMPIR project “Multifunctional ultrafast microprobes for on-the-machine measurements”, details about two measurement modes were presented. Force distance curves and contact resonance measurements are compared. The basic principles are explained and exemplary measurements concerning mechanical properties of polymers are shown.
High heat input leads to grain coarsening and softening in WM and HAZ; the tensile strength is reduced. Low heat input leads to inadmissible hardening in the WM; the impact strength is reduced.
The proposed t8/5-time of 3 s to 15 s could be achieved through the reduced welding velocity.
The concept of electromagnetic weld pool support system allowed single-pass welds in flat position without gravity drop-outs even for reduced welding speeds; in this way the heat input can be controlled.
The adaptation of the electromagnetic weld pool support system to laser and laser hybrid welding process can dramatically increase the potential field of application of these technologies for real industrial implementation.
Schwerpunkte:
Strategie zur Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich beilaserhybridgeschweißten Rundnähten für 9.5 mm dicke Rohre.
Anpassung der Laserleistung in Kombination mit der Defokussierung des
Laserstrahls sowie einer Endkraterfüllung am Ende der Schweißnaht führte zu einer besseren Nahtausbildung.
Herausrampung der Energie des Schweißprozesses, sodass ein Übergang von Durchschweißung zu einer Einschweißung mit gewünschter kelchförmiger Nahtgeometrie stattfand.
Einstellung eines Wärmestaus durch Defokussierung und Verschiebung des
Laserstrahls führt zu einem gut ausgebildeten Überlappbereich ohne Poren, Risse.
Schweißungen an Rohrabschnitten mit einer max. Wandstärke von 15 mm, bei gegebenenfalls weiteren Parameteranpassungen.
Microstructure ageing of stainless steel AISI 316L manufactured by selective laser melting (SLM)
(2019)
Additive manufacturing (AM) processes, such as SLM, offer a variety of advantages compared to conventional manufacturing. Today AM parts are still comparatively less cost-effective if they are manufactured in large quantities. To make the AM parts more cost-efficient, the AM process has to be improved. It requires a good understanding of microstructure formation, microstructure-property-relations and ageing processes affected by different loads.
In this work the ageing behavior of SLM manufactured AISI 316L stainless steel is evaluated. The microstructure effected by mechanical, thermal and corrosive loads are investigated and compared to as-built microstructure. Tensile tests are used for mechanical ageing. For thermal and corrosive loads the typical application conditions of 316L apply. The methods of microstructure investigation include SEM, TEM, CT and EBSD. The main object of this work is the description of microstructure and ageing processes of AM parts.
Additive manufacturing (AM) offers diverse advantages compared to conventional manufacturing. In this work the microstructure of austenitic steel 316L, manufactured with Selective Laser Melting (SLM), was analyzed and compared to microstructure of 316L hot rolled material. Methods used for analysis are microprobe, optical microscopy and electron backscatter diffraction.
The distributed measurement of relative humidity is a sought-after capability for a wide range of applications in civil engineering and structural health monitoring. We show that polymethyl methacrylate (PMMA) optical fi-bers can be employed as a sensor medium to conduct distributed humidity measurement by analyzing Rayleigh backscattering traces obtained by OTDR. We make use of the effect that water penetrates the fiber core and directly influences the local fiber attenuation and Rayleigh backscatter coefficient. We conducted distributed backscattering analysis for two different pulse wavelengths: 500 nm and 650 nm. The 650 nm results are susceptible to both, attenuation changes and backscatter changes, whereas backscatter results at 500 nm are not affected by humidity-induced attenuation and only exhibit a change of Rayleigh backscattered power as a function of humidity. The combined measurement and analysis of both parameters at these two wavelengths has the advantage that cross-sensitivities on backscatter change and attenuation, such as strain and tempera-ture changes, could be separated from the humidity response of the fiber. We present laboratory results for a humidity range between 30% and 90% for both pulse wavelengths: including step responses, humidity cycles and hysteresis analysis. In addition to the attenuation and backscatter coefficient dependence, we also analyze optical runtime changes as a function of humidity. POFs have the advantage that they can be directly embed-ded into materials such as concrete or soil to measure water content or localize water ingress. Standard step-index PMMA POFs can be used as a distributed relative humidity sensor up to 200 m distance.
Composite pressure vessels for transporting dangerous goods and for hydrogen and natural gas vehicles consist of a load-bearing composite and a gas-tight, metallic or polymeric barrier layer (liner). To investigate the aging behavior of such composite pressure vessels, BAM carried out the interdisciplinary project COD-AGE. The aim of the project was the development of methods and models for the description and determination of the aging behavior of carbon fiber composites using the example of pressure vessels in order to better predict aging and safe working life. One focus of this project was the provision of suitable NDT methods. These included both test-related tests and the possible development of test equipment for later practical use.
In the lecture, test results of the age-related eddy current test on composite pressure vessels are presented.
In aging tests, pressure vessels made of an approximately 4 mm thick aluminum liner and approx. 8 mm thick CFRP layer were examined. Typical application of such pressure vessels are respiratory protective devices of the fire department. The pressure vessels were tested using conventional eddy current technology from the outer and inner side as well as with high-frequency eddy current technology. Both damage to the metallic liner and structures of the CFRP could be detected. A particular mechanical challenge was the inspection of the inside of the liners, since a cylindrical surface with an inside diameter of 150 mm has to be tested with an access of only 15 mm diameter.
Für moderne Hochleistungswerkstoffe scheinen Standardparameter der Erstarrungsrissprüfung mittels MVT-Test in vielen Fällen ungeeignet. Dieser Vortrag erläutert die charakteristischen Besonderheiten der betrachteten Werkstoffe, und zeigt überdies alternative Analysemethoden auf, mit denen fehlerhafte Einschätzungen von Erstarrungsrissanfälligkeiten vermieden werden können.
Konventionelle und innovative Hochtemperaturwerkstoffe sind im technischen Betrieb einer Vielzahl an Belastungen ausgesetzt. Neben mechanischen Beanspruchungen stellt die chemische Belastung durch das Vorhandensein von aggressiven und korrosiven Medien (SO2, CO2, O2, H2O…) bei hoher Temperatur einen Schlüsselfaktor dar, der die Langlebigkeit der Materialien im Einsatz beeinflusst. Neben konventionellen, mikroskopischen Analyseverfahren bieten röntgenbasierte Techniken Möglichkeiten, die Grenzflächenreaktionen zwischen dem Werkstoff und den Medien während der chemischen Belastung (in situ) zu untersuchen. Neuartige Einblicke in die zugrunde liegenden Prozesse der Schädigungsmechanismen werden anhand von klassischen ferritischen Legierungen beschrieben. Das Verständnis von Schlüsselfaktoren zur Induzierung eines Schutzmechanismus ist insbesondere für die Entwicklung von neuartigen Materialklassen wie Hochentropie- und chemisch komplexe Legierungen notwendig. Erste Einblicke in Schädigungsmechanismen durch Gaskorrosion dieser innovativen Materialsysteme werden vorgestellt.
Der Implant-Test nach ISO 17642-3 gehört zur Gruppe der fremdbeanspruchten Kaltrisstests, bei dem eine äußere Beanspruchung auf einen zylindrischen Stab (Implant-Probe) definiert aufgebracht wird. Mit dieser Kaltrissprüfung wurde vergleichende Analysen zur Kaltrissempfindlichkeit der modernen hochfesten Feinkornbaustähle S960MC und S960QL durchgeführt.
Chemical compositions of the welds have significant effect on weld quality. Current inspection methods for the weld seams employ mostly post factum methods and cannot prevent weld defects.Elemental burn offs may significantly affect solidification leading to embrittlement or cracking. Control of weld chemical compositions insures a controlled solidification and resistance to related weld defects.
In situ ED XRD und Radiographie während eines Zugversuchs an wasserstoffbeladenem Supermartensit
(2019)
Die Ergebnisse von in-situ Experimenten am Berliner Elektronenspeicherring (BESSY II) werden vorgestellt. Es wurden Zugversuche an wasserstoffbeladenen und wasserstofffreien supermartensitischen Proben durchgeführt und Diffraktionsspektren und radiographische Bilder aufgenommen. Die energiedispersive Röntgendiffraktion ermöglichte dabei die dehnungsinduzierte Phasenumwandlung von Restaustenit zu Martensit in-situ zu beobachten. Die Radiographiebilder der zerreisenden Probe gaben Einblicke in das Bruchverhalten in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt des Supermartensits.
An overview of the BAM funed Focus Area Materials Project "AGIL" will be presented. AGIL focussed on the stdiy of the ageing characteristics of additively manufactured austenitic stainless steel with a "powder to mechanical failure" Approach. Recent Highlights are presented and a perspective for future studies.
Residual stresses in Laser Beam Melting (LBM) – Critical Review and outlook of activities at BAM
(2019)
Additive manufacturing (AM) technologies have experienced an exceedingly rapid growth, which is coupled with the knowledge about the resulting material properties and performance. In particular, residual stress (RS) was soon recognized as an important issue in AM parts, such that parts are usually subjected to a post build-heat-treated. Significant effort has been spent on simulations of RS in AM, especially using finite element methods. As a consequence, the experimental determination of RS has thereby become increasingly important as a validation tool for simulations, as well as a method for assessing the influence of process parameters. In particular, diffraction methods, which are fundamentally non-destructive, offer enormous possibilities to gain knowledge on the residual stress state in real components, since synchrotron radiation and neutrons can penetrate even heavy metals up to several millimeters or centimeters, respectively. Indeed, significant progress has been achieved, in the understanding of the origins of the RS fields as a function of process parameters, as well as their stability under thermal and/or mechanical exposure.
In this paper, a few success stories will be outlined. It will be shown how the determination of RS in metallic parts (with the focus on those produced by laser powder bed fusion) has even revealed that process parameters that were previously considered unimportant (e.g. the position and orientation on the base plate) play a major role in the onset of residual stress accumulation.
However, while RS characterization is starting to be considered in the component design, deposition strategy (e.g. build plate temperature), and even in the definition of the relevant metric to assess the quality of a part, much is still to be investigates about the hypotheses underlying its experimental determination. Therefore, some aspects to be aware of, or even those which to date are unclear, will also be discussed. These include the determination of the stress-free reference and of the principal axes of stress. All of these aspects will lead towards a comprehensive understanding of the process-structure-performance relationships in AM materials and parts.
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.
Aufgrund der stark korrosiven Atmosphäre in Tunnelbauwerken kommt es aufgrund von Reinigungs- und Sanierungsmaßnahmen an Ein- und Anbauteilen aus nichtrostendem Stahl häufig zu wartungsbedingten Verkehrsbeeinflussungen und Tunnelsperrungen. Bislang ist nur eine kleine Gruppe rostfreier Edelstähle für die Verwendung in Tunnelbauwerken zugelassen. Im Sinne einer mittel- bis langfristigen Reduktion von Wartungsarbeiten besteht jedoch großes Interesse, die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu erhöhen.
Um dies zu ermöglichen, entwickelten die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), gemeinsam mit dem Landesbetrieb Straßenbau NRW, in Zusammenarbeit mit der Informationsstelle Edelstahl Rostfrei (ISER), mit Unterstützung des Edelstahlherstellers Outokumpu und der Wilhelm Modersohn GmbH & Co. KG ein Forschungsprojekt zur Auslagerung von nichtrostenden Duplexstählen in Straßentunnel. Im Oktober 2019 beteiligte sich der Landesbetrieb Straßen, Brücken und Gewässer in Hamburg und ermöglichte die Auslagerung im Elbtunnel auszuweiten.
Rapid cooling rates and steep temperature gradients are characteristic of additively manufactured (AM) parts and important factors for residual stress formation which have implications on structural integrity. This study examined the influence of heat input on the distribution of residual stresses in two prisms produced by laser powder bed fusion (L-PBF) of austenitic stainless steel 316L.
The layers of the prisms were exposed using two distinct helix scanning strategies: one scanned from the centre to the perimeter and the other from the perimeter to the centre. Residual stresses were characterised at one plane perpendicular to the building direction at half of its build height using neutron diffraction. In addition, the defect distribution was analysed via micro X-ray computed tomography (µCT) in a twin specimen.
Both scanning strategies reveal residual stress distributions typical for AM: compressive stresses in the bulk and tensile stresses at the surface. However, temperature gradients and maximum stress levels differ due to the different heat input. Regarding the X-ray µCT results, they show an accumulation of defects at the corners where the laser direction turned through 90°.
The results demonstrate that neutron diffraction and X-ray µCT can be successfully used as non-destructive methods to analyse through-thickness residual stress and defect distribution in AM parts, and in the presented case, illustrate the influence of scanning strategies. This approach contributes to deeper assessment of structural integrity of AM materials and components.
Laser based Powder Bed Fusion (L-PBF) is an additive manufacturing technique that has been continuously developed in the past years. It offers unparalleled design freedom and the resulting mechanical properties match, in some cases even exceed, those of materials processed by conventional manufacturing techniques. Nonetheless the process is prone to create Residual Stresses (RS) resulting from the sequential melting and solidification of the material. RS can reduce load bearing capacity and generate unwanted distortions thus diminishing the potential of L-PBF. This research activity aimed at characterizing the RS state in Inconel 718 L-PBF specimens using multiple diffraction methods. The microstructure as well as the surface and bulk residual stresses were investigated. The RS analysis was performed using X-ray, synchrotron and neutron diffraction methods to provide information at different depths within the specimen. The measurements were performed at the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM), the EDDI beamline at BESSY II synchrotron and E3 line at BER II neutron reactor of the Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie (HZB) Berlin. The results revealed a depth depending RS state. The longitudinal and transverse stress components measured by X-ray and synchrotron at the surface agree well, exhibiting stress values around the yield strength of the material. In addition, synchrotron mapping showed gradients along the width and length of the sample for the longitudinal and transverse stress components. Lower RS values compared to surface RS were measured in the bulk of the material using neutron diffraction. The longitudinal stress component in the bulk was tensile and gradually decreased towards the edge of the specimen. The normal component however did not change significantly along the specimen dimensions and was of compressive nature. The transversal component was almost negligible. The results indicate that a stress re-distribution takes place during the deposition of the consecutive layers, which has to be further investigated.
Welding residual stress engineering by means of an adjusted martensite phase transformation would be highly attractive as detrimental tensile residual stresses may be prevented already during welding without time and cost intensive post processing. The present study shows a synchrotron diffraction analysis of a martensitic steel subjected to thermo-mechanical load cycles. Experiments were conducted regarding the microstructural strain response during the austenite to martensite transformation. The strains are a function of the temperature and the specific loads applied during cooling. The relation between the transformation plasticity of the material, the amount of martensite formed and the arising strains can thus be assessed. The lattice plane specific strains were compared to experimental findings from (macro) dilatation tests. It is shown that the microscopic material behavior differs remarkably from the one observed on the macroscopic scale, what leads to characteristic residual stresses in the material.
Residual stresses are crucial when assessing the performance of welded components. The present work deals with the possibilities of transferring the real-life boundary conditions of welding, which influence the residual stress, into the laboratory. The possibilities of a test system with a load capacity of 2 MN specifically developed for online monitoring of stress formation and cracking are shown. Due to the structural design, global process, geometry and material-dependent stresses are induced, which can be quantified in-situ during welding and post weld heat treatment. Examples are presented how the conditions to be found during production are simulated in the laboratory. It is shown how welding residual stresses in high-strength steels are affected by the heat control. Elevated working temperatures significantly increase the tensile residual stresses in the heat affected zone (HAZ). The effect of mechanical stresses resulting from welding on stress relief cracking is demonstrated by the example of a creep resistant steel. Reheat cracks were monitored online during post weld heat treatment.
Der Vortrag behandelt die Grundlagen der Korrosion sowie einzelene Aspekte von Korrosionsschutzmethoden. Weiterhin werden Themen wie Bimetallkorrosion und Spaltkorrosion erläutert. Es werden passivierbare Werkstoffe und deren Eigenschaften im Hinblick auf einen korrosionsschutzgerechten Einsatz vorgestellt.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
In den vergangen Jahren hat das Umweltbewusstsein in der Bevölkerung stark zugenommen und somit auch das Interesse an der Vermeidung von anthropogenen (Schad-)Stoffen in der Umwelt. Eine (neue) Substanzklasse, deren Umweltauswirkungen noch nicht vollständig untersucht sind und die in den vergangenen Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen hat, sind (metallbasierte) Nanomaterialien. Im Gegensatz zu bspw. Elementspezies weisen Nanomaterialien eine Vielzahl von Eigenschaften auf und lassen sich nicht über nur ein Merkmal beschreiben - dies stellt eine große analytische Herausforderung dar. Hier haben sich vor allem die Feld-Fluss-Fraktionierung (AF4) und die single-particle-ICP-MS als leistungsstarke analytische Methoden herausgestellt. In (aquatischen) Umweltmatrizes (z.B. Oberflächengewässern) liegen neben artifiziellen auch natürliche Partikel vor, was eine weitere große Herausforderung für den Nachweis von Nanomaterialien darstellt.
Neben dem Nachweis von anthropogenen Stoffen in der Umwelt ist zudem deren ökotoxikologische Bewertung wichtig. In der aquatischen Ökotoxikologie werden hierzu Testorganismen mit den jeweiligen Substanzen über die Wasserphase exponiert. Effektkonzentrationen (EC50) werden dabei auf Basis der Konzentrationen in der Wasserphase abgeleitet - tatsächlich bioakkumulierte Mengen werden hierbei jedoch meist nicht ermittelt; eine weitere große Herausforderung besteht zudem in der Bewertung von Mischungstoxizitäten. Gängige Testorganismen sind u.a. Kieselalgen (Diatomeen). Diatomeen stehen am Anfang der Nahrungskette - toxikologisch relevante Metalle/Nanomaterialien können sich hierüber im Nahrungsnetz der Oberflächengewässer anreichern und ggf. nachhaltig auswirken.
Im ersten Teil des Vortrages werden zunächst neue elementanalytische Methoden zum Nachweis von metallbasierten Nanopartikeln in Umweltmatrizes auf Basis der AF4/ICP-SFMS sowie stabilen Isotopenlabeln am Beispiel von Eisennanopartikeln vorgestellt.
Im zweiten Teil wird eine neue elementanalytische Methode als komplementäre Technik zur ökotoxikologischen Bewertung von (Schad-)Stoffen vorgestellt. Die neue Methode basiert auf der on-line Kopplung von HPLC mit der single-cell-ICP-(ToF)-MS (sc-ICP-(ToF)-MS) [1, 3-5]. Hierüber konnten wir erfolgreich die automatisierte Multielementanalytik einzelner Diatomeen realisieren und zur Analyse von mit Metallen inkubierten Diatomeen (cyclotella meneghiniana) einsetzen. Wir konnten zeigen, dass die sc-ICP-ToF-MS zukünftig eine leistungsstarke, komplementäre Technik in der aquatischen Ökotoxikologie zum z.B. Test von Metallen und Nanomaterialien darstellt.
Die Strukturierung keramischer Grünfolien und Laminate ist ein wesentlicher Prozessschritt in der keramischen Multilayer-Technologie und begründet die funktionelle Vielfalt keramischer Multilayer. Benötigt wird die Grünbearbeitung für die Herstellung elektrischer und thermischer Vias sowie innerer Kavitäten und Kanäle für Transport und Lagerung von Gasen und Flüssigkeiten in hochintegrierten Schaltungsträgern, Sensoren und Reaktoren. Standardverfahren in der industriellen Fertigung sind Heißschneiden, Stanzen und Laserbearbeitung. Darüber hinaus werden auch Bohren, Fräsen, Sägen und Heißprägen verwendet. Über die Erprobung weiterer Verfahren wie Wasserstrahlschneiden, Dampfstrahlätzen und Powder Blasting wird in der Literatur berichtet.
Im Vortrag werden spezifische Vor- und Nachteile der eingesetzten Verfahren beleuchtet. Abschließend werden die Kriterien für die Auswahl des optimalen Strukturierungsverfahrens diskutiert. Zusammensetzung und Gefüge sowie die dadurch bedingten mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften sowie das Absorptionsverhalten von Grünfolien sind sehr unterschiedlich. Daraus resultieren unterschiedliche optimale Bearbeitbarkeitsparameter.
Fireside Chat - Sharing PhD
(2019)
Microbiologically induced corrosion due to bacterial biofilms causes several problems in industrial systems, technical applications and in medicine. Prior to the formation of a biofilm on a substrate, planktonic cells attach on the surface. Hence, the properties of the surface play a key role in biofilm formation and are of great importance for the development of strategies to prevent bacterial attachment and biofilm formation.
This project aims at clarifying to which extent surface micro-/nanostructuring and chemical functionalization affects bacterial attachment and whether a synergistic combination of the two can be used to control bacterial adhesion. To answer these questions, model surfaces with regular patterns of 5-10 micrometers in size have been prepared, which provide distinct zones differing in terms of their chemistry or nano-roughness. This was achieved by micro contact printing of self-assembled monolayers with different functional groups and deposition of patterned ZnO nanorod arrays for studying the effect of surface chemistry and morphology, respectively. Typical contrasts studied were combinations of positively/negatively charged, hydrophobic/hydrophilic or flat/rough.
The attachment behavior of bacteria on tailored surfaces were studied in a flow chamber as a function of time. The strain Pseudomonas fluorescens SBW25 was chosen as a model organism. DNA-intercalating dyes such as Syto9 have a high affinity to adsorb on ZnO nanorods. To overcome this limitation a genetic modification was performed by introducing a gene which expresses a green fluorescent protein in P. fluorescens SBW25 enabling the quantitative evaluation of the flow chamber studies by means of fluorescence microscopy. Further analysis of the attachment behavior was performed by means of scanning electron microscopy.
The presentation will summarize the results of our systematic study on the role of individual parameters on bacterial attachment and highlight synergistic combinations, showing an inhibition or enhancing effect. As the investigations with model substrates enable a precise control of the surface parameters, this approach can be applied to different microorganisms and material systems to achieve a correlative description of bacterial adhesion on solid surfaces.
Weathering reference materials are used to characterize the harshness of an exposure, aiming on either reproducibility of a specific exposure or on the comparability between various kinds of weathering exposure.
The materials that are used as weathering reference materials differ in their sensitivities (as well as in interactions and interferences of the latter), conditioned by the different processes which lead to the respective property change. It is also essential to take into account the necessary measurement equipment for the respective property change, in order to allow timely intervention.
What are the key issues on choosing a weathering reference material?
What can be learned from the weathering reference materials, investigated so far?
Possibilities and limitations are discussed on the basis of existing weathering reference materials. Conclusions are drawn, for establishing new weathering reference materials.
Bei der Bestrahlung und Bewitterung von polymeren Werkstoffen wird die Degradation durch eine Absorption von Strahlung initiiert und meistens durch weitere Klimagrößen, wie z.B. Wärme, Feuchte und atmosphärische Gase beeinflusst. Die Messung einer effektiven Bestrahlungsstärke und ihre zeitliche Integration sind deshalb von großer Bedeutung.
Photochemische Prozesse werden beim Sehen oder allgemeiner bei Farbstoffen schon durch sichtbare (VIS) Strahlung, dagegen bei der Erythembildung der Haut und der Photodegradation von Polymeren erst durch die energiereicheren Photonen der ultravioletten (UV) Strahlung initiiert. Die spektrale Empfindlichkeit des Auges und die Erythembildung sind im VIS- bzw. UV-Bereich sehr stark wellenlängenabhängig, was durch die Angabe der mit der spektralen Hellempfindlichkeit V() des Auges bewerteten VIS-Strahlung in Lux (lx) bzw. die mit der Erythem-Wirkfunktion bewertete UV Strahlung als dimensionsloser UV-Index berücksichtigt wird. Spektrale Empfindlichkeiten.
Die Photodegradation von Polymeren ist im UV-Bereich ebenfalls stark wellenlängenab-hängig, was bisher nicht berücksichtigt wurde. Seit Mitte der 70er Jahre, als die lx- bzw lxh- Messung bei der Strahlungsbeanspruchung langsam durch die Ermittlung der radiometrischen UV-Bestrahlungsstärke bzw. der UV-Bestrahlung im gesamten UV-Bereich abgelöst wurde, gab es hier bei der Bewitterungsprüfung keine weiteren Fortschritte auf dem Gebiet der Charakterisierung der Strahlungsbeanspruchung im UV-Bereich.
Seit Jahren liegen zahlreiche Ergebnisse über die spektrale Empfindlichkeit von Photo-degradationsprozessen vor, die zeigen, dass die spektrale Empfindlichkeit im Bereich der Globalstrahlung bei ca. 300 nm, am größten ist und im langwelligen UV-Bereich bei ca. 400 nm gegen Null geht. Die Messungen der radiometrischen Größen UV-Gesamt-bestrahlungsstärke und UV-Gesamtbestrahlung erfasst deshalb über weite Wellen-längenbereiche Strahlungsanteile, die für die Photodegradation bedeutungslos sind und mittelt über potenziell bedeutsame Änderungen im kurzwelligen UV-Bereich hinweg.
Es wird das Konzept eines neuen UV-Radiometers vorgestellt, dessen spektrale Empfindlichkeit einer mittleren spektralen Empfindlichkeit der Photodegradation von Polymeren entspricht. Die effektive UV-Bestrahlungsstärke und UV-Bestrahlung kann dadurch wesentlich genauer erfasst werden.
Oxidation effects on the functionality and formation of laser-induced periodic surface structures
(2019)
In the last decades, the formation of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) has been widely studied, not only to stablish a general understanding of the main mechanisms present during the irradiation with ultrashort laser pulses, but also to identify the main processing parameters for its fabrication on various technical materials. However, an important and almost always present effect that is typically set aside is the material oxidation during or after the laser processing. Usually, this leads to optical, chemical, structural and mechanical alterations that are seldomly studied in detail. Therefore, in this work we present a study that includes the formation of LIPSS on Ti6Al4V alloy for tribological applications were different oxidations layers are involved.
The material characterization using different techniques, such as energy dispersive X-ray analyses (EDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), micro Raman spectroscopy (µ-RS), and depth-profiling Auger electron microscopy (AEM), and other techniques, confirms the formation of a non-negligible superficial oxide layer – strongly dependent on the specific processing parameters. We perform tribological experiments on laser irradiated samples oxidized by alternative ways to have a comparison on its friction performance. The obtained results show significant differences that depend directly on the thickness and the quality of the oxidized layer. This may open a fertile research area until now barely explored with clear impact on LIPSS based applications.
Um das Material- und Schädigungsverhalten von additiv gefertigtem Polyamid 12 (PA12) unter quasistatischer Belastung zu charakterisieren, wurden mechanische Tests und Experimente zur Bestimmung der Mikrostruktur durchgeführt.
Die Proben wurden nach dem Prinzip des Selektiven Lasersinterns (SLS) hergestellt. Unter quasistatischer Belastung mit Haltezeiten ergab sich ein viskoplastisches Materialverhalten. Im Zugversuch wurde eine maximale Zugfestigkeit von 40.6 MPa und eine Bruchdehnung von 7.4% beobachtet. Mittels Digitaler Bildkorrelation (DIC) wurde die Ausbildung von Scherbändern während des Zugs nachgewiesen. Mittels Röntgenrefraktion wurde eine Erhöhung von inneren Oberflächen beobachtet, die senkrecht zur Zugrichtung orientiert sind. Die Analyse der Gesamtporosität aus Computertomographie-Messungen ergab keine Änderung infolge der Zugbelastung. Jedoch wurde eine bimodale Porengrößenverteilung und eine steigende Sphärizität festgestellt.
Das Materialverhalten wurde mit den Ergebnissen des Zugversuchs nach dem Chaboche Modell [3] in sehr guter Übereinstimmung simuliert. Allerdings gestattet dieses Modell nicht, das Bruchverhalten einzuschließen. Daher wurde zur Simulation des Schädigungsverhaltens das Modell gemäß dem Ansatz von Gurson, Tvergaard und Needleman unter Berücksichtigung der mikrostrukturellen Parameter erweitert. Während das Chaboche Modell eine homogene Spannungsverteilung generiert, zeigt das erweiterte Modell die Ausbildung von Scher¬bändern und die korrekte Bruchdehnung.
Der Schwerpunkt des Vortrages liegt auf den Röntgenverfahren zur experimentellen Bestimmung der Mikrostruktur.
Das Presshärteverfahren hat sich zur ressourceneffizienten Verarbeitung von höchstfesten Stahlwerkstoffen im Karosserieleichtbau weltweit etabliert. Die fehlerfreie Bauteilproduktion wird jedoch durch Reibungs- und Verschleißerscheinungen aufgrund hoher thermo-mechanischer Werkzeugbelastungen und fehlender Schmierstoffsysteme limitiert. Als Lösungsansatz wird eine Modifikation der Werkzeugoberfläche mittels Laserimplantation angestrebt, um folglich deren Verschleißbeständigkeit nachhaltig zu erhöhen. Das Verfahren basiert auf einem lokalen Dispergieren keramischer Hartstoffpartikel in die Werkzeugoberfläche, infolgedessen hochfeste und erhabene Strukturen im Mikrometerbereich entstehen. Aufgrund der signifikanten Reduzierung der Kontaktfläche sowie der hohen Verschleißbeständigkeit der eingesetzten TiB2-Hartstoffe wird ein verbessertes tribologisches Einsatzverhalten unter presshärtetypischen Prozessbedingungen erwartet. Zur Verifizierung dieser Annahmen wurden im Rahmen dieser Arbeit modifizierte Pin-on-Disk Tests durchgeführt, um das Reib- und Verschleißverhalten der laserimplantierten Werkzeugoberflächen unter Presshärtebedingungen zu untersuchen. Zur weiteren Vertiefung des Prozess-verständnisses wurden die verschlissenen Platinen via Tastschnittmessungen und Querschliffaufnahmen analysiert. Durch den Ergebnisvergleich mit konventionellen Werkzeugoberflächen erfolgte eine abschließende Bewertung des tribologischen Einsatzverhaltens der laserimplantierten Strukturen.
This presentation reviews current and expected developments in the field of laser-induced periodic surface structures (LIPSS, ripples). These surface nanostructures are a universal phenomenon and can be generated on almost any material by irradiation with intense linearly polarized radiation. LIPSS are formed in a “self-ordered” way and are often accompanying laser material processing applications. The structures can be produced in a single-step process and enable surface functionalization through the adaption of optical, mechanical and chemical surface properties. Their spatial periods typically range from several micrometers down to less than 100 nanometers, exhibiting a clear correlation with the polarization direction of the laser radiation used. Various types of LIPSS have been classified, relevant control parameters were identified, and material specific formation mechanisms are analyzed for different types of inorganic solids, i.e., metals, semiconductors, and dielectrics, through time-resolved optical experiments and theoretical simulations. Special attention will be paid to a comparison of the currently available formation theories for LIPSS with a discussion of their respective strengths and weaknesses. Currrently explored applications featuring surface functionalization in the fields of optics, surface wetting, medicine, and tribology will be discussed.
This presentation reviews the current state in the field of Laser-induced Periodic Surface Structures (LIPSS). These surface nanostructures are a universal phenomenon and can be generated on almost any material by irradiation with intense linearly polarized laser radiation. LIPSS are formed in a “self-ordered” way and are often accompanying material processing applications. They can be produced following a single-step process and enable surface functionalization through the adaption of optical, mechanical and chemical surface properties. Their structural sizes typically range from several micrometers down to less than 100 nanometers exhibiting a clear correlation with the polarization direction of the laser radiation. Various types of surface structures are classified, relevant control parameters are identified, and their material specific formation mechanisms are analyzed for different types of inorganic solids, i.e., metals, semiconductors, and dielectrics, through time-resolved optical experiments and theoretical simulations. Finally, technological applications featuring surface functionalization in the fields of optics, fluidics, medicine, and tribology are discussed.
Der Duplexstahl 2205 bietet aufgrund seiner guten Korrosionsbeständigkeit und der hohen erreichbaren Festigkeitswerte bei guter Duktilität, zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Jedoch wurde beim Schweißen von Duplexstählen eine Verschiebung des Gleichgewichts zwischen Austenit- und Ferritanteil hin zu höheren Ferritgehalten und damit negativen mechanischen und Korrosionseigenschaften beobachtet. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, werden häufig spezielle Schweißzusätze mit höheren Nickelanteilen genutzt, welche bei dickwandigen Strukturen jedoch nicht über die gesamte Schweißnahttiefe nachgewiesen werden können. Dies führt zu unterschiedlichen Eigenschaften und einer höheren Korrosionsanfälligkeit im Wurzelbereich.
Eine Möglichkeit die gleichmäßige Verteilung von Legierungselementen innerhalb der Naht zu gewährleisten, bietet die Erzeugung von Pufferschichten mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA). In diesem Zusammenhang wurden Duplexpulver mit unterschiedlichen Nickelgehalten und verschiedene LPA-Prozessparameter untersucht, die eine ebene Schichtbildung mit verringerten Ferritgehalten ermöglichen. In einem zweiten Schritt konnte nachgewiesen werden, dass das Laserstrahlschweißen der beschichteten Kanten bei üblichen Prozessparametern möglich ist und zu fehlerfreien Schweißnähten mit ausgeglichenem austenitisch- ferritischem Gefüge führt. Der Einfluss unterschiedlicher Schutzgase und verschiedener Nickelgehalte auf die Gefügestruktur wurde für die Beschichtungen und Laserstrahlschweißungen mit Hilfe von Schliffbildern und Electron Backscatter Diffraction (EBSD) ausgewertet, wobei gezeigt werden konnte, dass bei ausreichend hohem Nickelgehalt ein feinkörniges Gefüge sowohl in der Pufferschicht als auch der Schweißnaht vorliegt. Die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnähte wurde durch Korrosionsuntersuchungen überprüft.
Der Duplexstahl 2205 bietet aufgrund seiner guten Korrosionsbeständigkeit und der hohen erreichbaren Festigkeitswerte bei guter Duktilität, zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Jedoch wurde beim Schweißen von Duplexstählen eine Verschiebung des Gleichgewichts zwischen Austenit- und Ferritanteil hin zu höheren Ferritgehalten und damit negativen mechanischen und Korrosionseigenschaften beobachtet. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, werden häufig spezielle Schweißzusätze mit höheren Nickelanteilen genutzt, welche bei dickwandigen Strukturen jedoch nicht über die gesamte Schweißnahttiefe nachgewiesen werden können. Dies führt zu unterschiedlichen Eigenschaften und einer höheren Korrosionsanfälligkeit im Wurzelbereich.
Eine Möglichkeit die gleichmäßige Verteilung von Legierungselementen innerhalb der Naht zu gewährleisten, bietet die Erzeugung von Pufferschichten mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA). In diesem Zusammenhang wurden Duplexpulver mit unterschiedlichen Nickelgehalten und verschiedene LPA-Prozessparameter untersucht, die eine ebene Schichtbildung mit verringerten Ferritgehalten ermöglichen. In einem zweiten Schritt konnte nachgewiesen werden, dass das Laserstrahlschweißen der beschichteten Kanten bei üblichen Prozessparametern möglich ist und zu fehlerfreien Schweißnähten mit ausgeglichenem austenitisch- ferritischem Gefüge führt. Der Einfluss unterschiedlicher Schutzgase und verschiedener Nickelgehalte auf die Gefügestruktur wurde für die Beschichtungen und Laserstrahlschweißungen mit Hilfe von Schliffbildern und Electron Backscatter Diffraction (EBSD) ausgewertet, wobei gezeigt werden konnte, dass bei ausreichend hohem Nickelgehalt ein feinkörniges Gefüge sowohl in der Pufferschicht als auch der Schweißnaht vorliegt. Die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnähte wurde durch Korrosionsuntersuchungen überprüft.
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS, ripples) are a universal phenomenon that can be observed on almost any material after the irradiation by linearly polarized laser beams, particularly when using ultrashort laser pulses with durations in the femtosecond to picosecond range. During the past years significantly increasing industrial and research activities have been reported in the field of LIPSS, since their generation in a single-step process provides a simple way of nanostructuring and surface functionalization towards the control of optical, mechanical, biological, or chemical surface properties. In this contribution the mechanisms of formation and current trends and applications of LIPSS are reviewed, including the colorization of technical surfaces, the control of surface wetting properties, the mimicry of the natural texture of animals, the tailoring of surface colonization by bacterial biofilms, the advancement of leadless medical pacemakers, and the improvement of the tribological performance of nanostructured metal surfaces.
Ein neuer Ansatz bei elektrochemischen Korrosionsuntersuchungen kann durch den Einsatz von gelartigen Elektrolyten als Alternative zu wässrigen Prüfelektrolyten beschritten werden. Gelartige Elektrolyte ermöglichen minimalinvasive Untersuchungen an natürlich gebildeten Zinkdeckschichten. Dadurch können korrosionsrelevante Kennwerte ermittelt werden, die Aussagen zur Deckschichtbildung und zur Stabilität von atmosphärisch gebildeten Deckschichten erlauben. In diesem Beitrag wird anhand verschiedener Untersuchungen an Reinzink der Mehrwert von gelartigen Elektrolyten für die Korrosionsforschung und -prüfung verdeutlicht. Darüber hinaus werden neue Erkenntnisse zur Deckschichtbildung von Zink unter atmosphärischen Bedingungen vorgestellt.
Aluminum alloys are extensively used in the automotive industry. Particularly, squeeze casting production of Al-Si alloys is employed in the conception of metal matrix composites (MMC) for combustion engines. Such materials are of a high interest since they allow combining improved mechanical properties and reduced weight and hence improve efficiency. We investigate two types of MMCs, which can be potentially used for production of combustion engine pistons: 1) a near-eutectic cast AlSi12CuMgNi alloy reinforced with 15%vol. Al2O3 random planar oriented short fibers and 2) the same alloy reinforced with 7%vol. Al2O3 random planar oriented short fibers + 15%vol. SiC particles.
Complex 3D microstructure of the samples in as-cast condition, consisting of four and five phases (Al matrix, eutectic Si, intermetallics, Al2O3 fibers and SiC particles) was investigated by synchrotron computed tomography (CT). Advanced methods based on machine learning were applied for segmentation of all phases. This allowed extracting quantitative information such as volume fraction, shape and interconnectivity of every phase.
In-situ compression tests during neutron diffraction experiments were used to track the load transfer among phases, while CT on pre-strained samples to monitor and quantify damage. A micromechanical model was developed to simulate the evolution of the internal stress of each phase during uniaxial compression. We showed that in composites with the Al2O3 fiber mat plane perpendicular to the load axis the Al-alloy matrix presents a large hydrostatic stress component, i.e. undergoes compression also in the direction transverse to the external load. This feature holds with and without the addition of SiC ceramic reinforcement and is absent in the case when the Al2O3 fiber mat plane is parallel to the load axis. We show, that the intermetallics play a decisive role at very high loads, when all other reinforcement phases suffer (extensive) damage. The addition of SiC particles does alleviate the load on the Al2O3 fibers, on the eutectic Si, and on the intermetallic phases in both cases of parallel and orthogonal (to the load axis) Al2O3 fiber orientation. Apart from the beneficial addition of ceramic reinforcement, the presence of intermetallic phase and eutectic silicon, forming an interconnected network even at high loads, when single particles break, confers peculiar properties to these multi-phase composites.
Are we ready for putting a human footprint on Mars? Obviously, it is possible to send technologically challenging missions to our earth neighbors with a high level of complexity, such as enabling autonomous planetary mobility. As humanity contemplates mounting manned missions to Mars, strategies need to be developed for the design and operation of hospitable environments safely working in space for years. Humans require water and air provided by complicated equipment. Its safe operation is a great challenge and implies being prepared for all eventualities. Instead of foreseeing and preparing for all possible scenarios of machine failures and accidents, it appears logic taking advantage of the flexibility of humans and providing essential equipment for the reaction on critical situations. The supply of spare parts for repair and replacement of lost equipment would be one key pillar of such a strategy. Bearing in mind the absolute distance and flight trajectories for manned missions to Mars, supplying spare parts from Earth is impossible. Thus, in space manufacturing remains the only option for a timely supply. With a high flexibility in design and the ability to manufacture ready to use components directly from a computer aided model, additive manufacturing technologies appear extremely attractive. For metal parts manufacturing the Laser Beam Melting process is the most widely used additive manufacturing process in industrial application. However, envisioning the handling of metal powders in the absence of gravitation is one prerequisite for its successful application in space. A gas flow throughout the powder bed has been successfully applied to compensate for missing gravitational forces in micro gravity experiments. The so-called Gas Flow Assisted Powder Deposition is based on a porous building platform acting as a filter for the fixation of metal particles in a gas flow driven by a pressure difference maintained by a vacuum pump.
Are we ready for putting a human footprint on Mars? Obviously, it is possible to send technologically challenging missions to our earth neighbors with a high level of complexity, such as enabling autonomous planetary mobility. As humanity contemplates mounting manned missions to Mars, strategies need to be developed for the design and operation of hospitable environments safely working in space for years. Humans require water and air provided by complicated equipment. Its safe operation is a great challenge and implies being prepared for all eventualities. Instead of foreseeing and preparing for all possible scenarios of machine failures and accidents, it appears logic taking advantage of the flexibility of humans and providing essential equipment for the reaction on critical situations. The supply of spare parts for repair and replacement of lost equipment would be one key pillar of such a strategy. Bearing in mind the absolute distance and flight trajectories for manned missions to Mars, supplying spare parts from Earth is impossible. Thus, in space manufacturing remains the only option for a timely supply. With a high flexibility in design and the ability to manufacture ready to use components directly from a computer aided model, additive manufacturing technologies appear extremely attractive. For metal parts manufacturing the Laser Beam Melting process is the most widely used additive manufacturing process in industrial application. However, envisioning the handling of metal powders in the absence of gravitation is one prerequisite for its successful application in space. A gas flow throughout the powder bed has been successfully applied to compensate for missing gravitational forces in micro gravity experiments. The so-called Gas Flow Assisted Powder Deposition is based on a porous building platform acting as a filter for the fixation of metal particles in a gas flow driven by a pressure difference maintained by a vacuum pump.
Many of the most successful and precise additive manufacturing (AM) technologies are based on the deposition layer-by-layer of a flowable powder. Since the first pioneering work at the end of the 1980th many developments have been introduced, greatly extending the use of different materials, improving the physical properties of the components built and enhancing the accuracy of the process. Still very important issues remain nowadays, hampering a completely autonomous production of parts and even restricting the freedom of design by means of these technologies. One of the major issues is the low density and stability of the parts during the building process, which implies the need of support structures: The powder bed surrounding the part has an essential role, since it should support the structure during building, until it’s ready for removal. Moreover, the microstructure of the powder bed is a template for the microstructure of the part produced. In this context, the use of submicron ceramic powders is still a challenge. Three approaches for the stabilization and densification of powder beds will be presented: The Layerwise Slurry Deposition process LSD, the gas flow assisted powder deposition and the Laser Induced Slipcasting (LIS) of ceramic powder compacts.
Biomaterials for bone replacement and grafting should possess sufficient strength, be bioresorbable and demonstrate osteoconductive and osteoinductive properties. However, resorption of modern materials for bone grafting (hydroxyapatite (HA) and tricalcium phosphate (TCP)) is reported, in some cases, to be not enough, this is why the search for more soluble compounds compared to HA and TCP looks very perspective. A possible way to increase ceramics solubility leads to partial substitution of Ca2+ -ions in Ca3(PO4)2 by alkali cations, like Na+ or/and K+. Improvement of solubility stems from decreasing lattice energy of a substituted phase, as well as the increase in hydration energy of the ions releasing from the phase to ambient solution. From this viewpoint, bioceramics based on compositions from Ca3(PO4)2 - CaKPO4 - CaNaPO4 ternary system seems to be prospective for bone replacement and grafting in the sense of resorption properties. At the same time, one should bear in mind that solubility level (resorbability) is governed not only by reduction of lattice energy but also by microstructure features. Grain sizes and porosity contribute much to dissolution rate making the study of sintering of the ceramics mentioned above highly important.
To control Ca3(PO4)2 - CaKPO4 - CaNaPO4 based ceramic microstructure it is necessary to know possible phase transformations in the system and the way to manage microstructure by sintering schedule or sintering process.
In this work, an isothermal section for phase diagram of Ca3(PO4)2 - CaKPO4 - CaNaPO4 ternary system is studied with several techniques. According to the XRD of quenched samples, this phase triangle has four single-phase areas at 1200˚C (Figure 1). It was shown that single-phase CaK0.6Na0.4PO4 cannot be sintered to full-dense ceramics by conventional sintering regardless time-temperature schedule. Two-step sintering technique, beneficial in the case of HA-ceramics, was unsuccessful in all cases of calcium-alkali phosphate compositions. However, field-assisted sintering techniques like, e.g. Spark Plasma Sintering (SPS), can overcome this problem due to significant impact on grain boundary diffusion. In connection with this fact, grains grow much slower retaining sintering process in a pore control regime. In this work CaK0.6Na0.4PO4 low-porous ceramics was also fabricated by FAST-methods of sintering. Moreover, other alternative sintering techniques, such as reaction sintering, may be useful in accelerating ions diffusion but stopping excessive grain growth.Strength properties of ceramics were evaluated by B3B-testing, micro- and nanoindentation techniques. Fracture toughness also becomes higher with potassium content increase, guiding porosity level.
Resorption properties of sintered ceramics were studied in different solutions with pH=5 and 7.4.
Acknowledgements. The research of sintering processes in calcium phosphate materials were funded by RFBR according to the research project № 18-33-00974.
The initial focus of this research was on the development of a general workflow for the documentation and monitoring of historical stained glass windows using structured light scanning.
Therefore windows from different churches, time periods and with different corrosion and damage phenomena were scanned before and after conservation measures.
Neuartige Materialien, die bekannte (Werk-)Stoffe mit neuen Funktionalitäten ausstatten, spielen eine zunehmend wichtige Rolle im Bereich der Materialforschung und -prüfung. Das Spektrum neuartiger Materialien reicht von der gezielten Oberflächenfunktionalisierung und -strukturierung makroskopischer Materialien, dünnen Beschichtungen bis hin zu mikro- und nanoskaligen Kompositmaterialien und funktionalen Materialien an der Schnittstelle zur Biologie, Biotechnologie, nachhaltige Energiespeicherung und Sensorik. Dabei bieten neuartige Materialien die Chance, Werkstoffe und Produkte mit erweiterter oder verbesserter Funktionalität zu erhalten und Sicherheit bereits im Designprozess zu berücksichtigen. Durch dieses breite Anwendungsspektrum und die Herausforderungen, die solche Materialien für die Sicherheit in Chemie und Technik mit sich bringen, sind diese in allen Themenfeldern der BAM repräsentiert (Material, Analytical Sciences, Energie, Infrastruktur und Umwelt).
Die Aufgaben der BAM erstrecken sich dabei von der Herstellung von Referenzmaterialien für Industrie, Forschung und Regulation, über die Erstellung von standardisierten Referenzverfahren für nachhaltige Messungen im Umwelt- und Lebenswissenschaftsbereich bis hin zur Bereitstellung von belastbaren und zitierbaren Referenzdaten. Durch die genaue Charakterisierung neuartiger Materialien können potentiell problematische Substanzen identifiziert und deren Risiken besser abgeschätzt werden. In diesem Beitrag werden einige aktuelle Beispiele aus diesen Bereichen vorgestellt.
Die gemeinsame Forschungsstrategie der Bundesoberbehörden zur Nanotechnologie wurde 2016 veröffentlicht. Die darin enthaltenen Aufgaben wurden von den Bundesoberbehörden vielfältig bearbeitet. Diese Präsentation gibt einen Überblick über die Projekte, die von der BAM bis 2019 bearbeitet wurden/werden und sich in den Rahmen der Forschungsstrategie einordnen.
Der Vortrag thematisiert die Behandlung von Schweißeigenspannungen bei der Auslegung geschweißter Bauteile. Ausgehend von Fragen der Klassifizierung unterschiedlicher Typen von Eigenspannungen wird auf Fragen der Behandlung von Primär- und Sekundärspannungen, der Ermittlung und Aussagefähigkeit von Eigenspannungs-Tiefen-Profilen und der Stabilität der Eigenspannungen bei zyklischer Beanspruchung eingegangen. Neben der Auslegung auf Bruch wird die Beschreibung der Ermüdungsrissausbreitung bei Vorhandensein von Eigenspannungen diskutiert, wobei neben der klassischen Langrissbruchmechanik auch Besonderheiten der Kurzrissbruchmechanik angesprochen werden.