Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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The geometry of the melt pool in laser beam welding plays a major role to understand the dynamics of the melt and its solidification behavior. In this study, a butt configuration of 20 mm thick structural steel and transparent quartz glass was used to observe the weld pool geometry in the partial penetration mode by means of a high-speed camera. The observations show that the dimensions of the weld pool vary depending on the depth. The areas close to the weld pool surface take a teardrop-shape. A bulge-region and its temporal evolution were observed approximately in the weld pool root. Additionally, a 3D transient thermal-fluid numerical simulation was performed to obtain the weld pool shape and to understand the formation mechanism of the observed bulging effect. The model considers the local temperature field, the effects of phase transition, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties. The numerical results showed good accordance and were furthermore used to improve the understanding of the experimentally observed bulging effect.
Kaltrissprüfung hochfester Feinkornbaustähle beim Schweißen mit modifiziertem Sprühlichtbogen
(2019)
Der konstruktive Leichtbau erfordert den zunehmenden Einsatz hochfester Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen bis zu 1300 MPa. Um darüber hinaus Schweißzeit, Schweißnahtvolumina und Schweißkosten zu minimieren, kam es zur Entwicklung moderner Lichtbogenprozesse mit erhöhter Abschmelzleistung, wie bspw. dem modifizierten Sprühlichtbogen (mod. SLB). Dieser Beitrag zeigt Kaltrissuntersuchungen beim Einsatz des mod. SLB unter reduziertem Nahtöffnungswinkel eines Hochfesten S960QL. Mit Hilfe des fremdbeanspruchten Implant-Tests konnte dargelegt werden, dass durch die erhöhte Abschmelzleistung ein tieferes Einbrandprofil entsteht und es dadurch zu einer zeitverzögerten Rissbildung kommt. Ergebnisse des selbstbeanspruchenden TEKKEN-Tests zeigen eine deutliche Rissbildung im Schweißgut unter reduziertem Nahtöffnungswinkel. Durch eine Nachwärmung unmittelbar nach dem Schweißen kann diese Rissbildung minimiert werden.
Molecular mobility of cyanophenyl alkylbenzoates (CPnBs) (n = 2, 3, 7 – number of carbon atoms in the alkyl chain) in the bulk and in composites with aerosil A380 is investigated by broadband dielectric spectroscopy, while thermal analysis and infrared spectroscopy were applied to characterise the molecular species. The work completes preliminary results obtained for the members with n = 4 … 6. An interaction by hydrogen bonding, between aerosil surface – OH groups and – CN or ester groups of the CPnB molecules takes place. It slows down the relaxation process as observed for related composites in comparison to the pure materials. The existence of two types of bonding might be the reason that Vogel temperature for the relaxation process in the surface layer does not show the odd-even effect. Temperature dependence of the relaxation rates for composites
shows a crossover behaviour from a high to a low temperature regime. Moreover, the temperature dependence of the dielectric strength is unusual. As the loading degree is similar, comparison of the dielectric, spectroscopic and thermal data obtained here and with the results obtained for the composites with n = 4 … 6 can be directly done. Increasing the number of the members of the homologous series confirms and hardens the preliminary conclusions.
Kaltrissprüfung hochfester Feinkornbaustähle beim Schweißen mit modifiziertem Sprühlichtbogen
(2019)
Sind in Stahlkonstruktionen hohe Tragfähigkeiten bei geringem Eigengewicht gefordert, finden hochfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ≥ 960 MPa Anwendung. In der Vergangenheit wurde der konventionelle Übergangslichtbogen (Konv. LB) zur schweißtechnischen Fertigung von hochfesten Stählen eingesetzt. In den letzten Jahren wurde der modifizierte Sprühlichtbogen (Mod. SLB) entwickelt, welcher reduzierte Nahtöffnungswinkel bei erhöhter Abschmelzleistung ermöglicht. Jedoch treten höhere Wasserstoffkonzentrationen verbunden mit Mikro-(Kalt-)rissen unter reduziertem Nahtöffnungswinkel mit Mod. SLB auf. In diesem Beitrag wird die Kaltrissempfindlichkeit des hochfesten Feinkornbaustahles S960QL mit artgleichem Schweißzusatzwerkstoff untersucht.
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.
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 laser implantation–named technique aims to address the tribological problems frequently seen on tool surfaces during hot stamping. It is based on the creation of elevated dome- or ring-shaped hard structures on the surface of tool steels by a localized dispersing of hard particles. Therefore, a combination of the two distinct approaches that are normally used in surface Technology for optimizing friction and wear, i.e., surface texturing and surface material optimization, are realized in one processing step. In experimental studies, a localized dispersing of TiB2 particles in the surface layer of the hot work tool steel X38CrMoV5-3 was considered and compared with punctual laser–remelted textures. The structures (micro-) hardness was measured at top- and cross-sections. With the aid of a scanning electron microscope, energy dispersive X-ray spectroscopy and X-ray diffraction the interaction between the hard particles and the substrate material were studied. From the results, an optimal parameter range was identified for laser implantation. To the investigation’s end, the implant geometry was measured by optical microscopy and White light microscopy. Furthermore, a mathematic model was introduced, which allows a prediction of the implant geometry as a response to the laser parameters. It was shown that the implantation of TiB2 particles leads to a significant hardness increase up to 1600 HV1 due to the dispersion of initial particles and an in situ precipitation of new titanium-rich phases. It was possible to create defect-free dome- and ring-shaped microstructures on the surfaces. It was also shown that the implants geometry highly depends on the applied laser parameters. The applied central composite design shows a good agreement with the experimental results.
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.
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.
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.
CEQAT-DGHS Interlaboratory tests for method validation and measurement uncertainty determination
(2019)
An explosion in a chemical plant or a fire on a dangerous goods vessel - the reason for such accidents can be numerous. Prevention starts in the laboratory where chemicals are tested for their hazardous properties in order to be able to assess the risks involved in their handling. For this purpose, test methods have been developed and published. They are applied globally nowadays. Safety experts, manufacturers, suppliers, importers, employers or consumers must be able to rely on the validity of safety-related test methods and on correct test results and assessments in the laboratory.
Interlaboratory tests play a decisive role in assessing the reliability of test results. Participation in interlaboratory tests is not only a crucial element of the quality assurance of laboratories; as such it is explicitly recommended in DIN EN ISO/IEC 17025. In addition, interlaboratory tests are also used to develop and validate test methods and can be used for the determination of the measurement uncertainty.
Interlaboratory tests on different test methods have been performed by Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in collaboration with the QuoData GmbH during the last 10 years. Significant differences between the results of the participating laboratories were observed in all interlaboratory tests. The deviations of the test results were not caused only by laboratory faults but also by deficiencies of the test method (see interlaboratory test reports of the CEQAT-DGHS Centre for quality assurance for testing of dangerous goods and hazardous substances: www.ceqat-dghs.bam.de).
In view of the interlaboratory test results the following conclusions can be drawn:
• To avoid any discrepancy on classification and labelling of chemicals it should become state of the art to use validated test methods and the results accompanied by the measurement uncertainty.
• A need for improvement is demonstrated for all examined test methods. Thus, interlaboratory tests shall initially aim at the development, improvement and validation of the test methods (including the determination of the measurement uncertainty) and not on proficiency tests.
• The laboratory management and the practical execution of the tests need to be improved in many laboratories.
• The term "experience of the examiner" must be seen critically: A "long experience with many tests" is not necessarily a guarantee for correct results.
Advanced high strength steels are usually coated by a zinc layer for an increased resistance against corrosion. During the resistance spot welding of zinc coated steel grades, liquid metal embrittlement (LME)mayoccur. As a result, cracking inside and around the spot weld indentation is observable. The extent of LME cracks is influenced by a variety of different factors. In this study, the impact of the used electrode geometry is investigated over a stepwise varied weld time.
A spot welding finite element simulation is used to analyse and explain the observed effects. Results show significant differences especially for highly increased weld times. Based on identical overall dimensions, electrode geometries with a larger working plane allow for longer weld times, while still preventing LME within the investigated material and maintaining accessibility.
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.
Die neue Crosslinking-Methode ist hilfreich, um Immunglobuline des Isotyps G ortspezifisch an ihrer Bindungsstelle mit Protein A oder G zu konjugieren. Die Kopplungen von Protein A und G konnten erfolgreich an Maus- und Human-IgG durchgeführt, sowie die Bedingungen untersucht und optimiert werden. Die Aktivierung von Protein G mit Glutaraldehyd erfolgt am besten bei pH 8 und die anschließende Kopplung mit Maus-IgG1 bei einem pH-Wert von 6. Jedoch wurden mit SIAB und Sulfo-SIAB als Crosslinker im Vergleich zu Glutaraldehyd noch höhere Signale erhalten. Für die Kopplung von SIAB sind 40% DMSO im Reaktionspuffer günstig, währenddessen Sulfo-SIAB gut wasserlöslich ist daher keine Lösungsvermittler benötigt. Es ergab sich ein optimaler pH-Wert von 7,4 um Protein A mit SIAB zu aktivieren und den gleichen pH-Wert um die Kopplung mit Maus-IgG1 durchzuführen. Für die Kopplung von Protein G mit Maus-IgG1 hingegen zeigten die Experimente, dass ein leicht saurer pH-Wert bei pH 6 für den IgG-Kopplungsschritt am günstigsten ist. Während die Inkubationszeit von Maus-IgG1 mit Protein G bei 16 h liegt, muss mit Protein A bis zu 40 h inkubiert werden, um das Kopplungsmaximum zu erreichen. Des Weiteren wurde das Crosslinking von Human-IgG (Herceptin) mit SIAB untersucht. Dabei zeigte sich, wie in der Abbildung 47 zu sehen ist, dass Protein A und G vergleichbar gut an Human-IgG zu koppeln sind. Für das Crosslinking von Protein G mit Maus-IgG1 ist dagegen ein deutlich besserer Umsatz im Vergleich zu Protein A zu erkennen (Abbildung 48). Heterobifunktionale Linker können mit der reaktiveren Gruppe die erste Bindung eingehen, um erst nach Zugabe eines weiteren Reagenzes die zweite Bindung auszubilden und zudem intramolekulare Reaktionen möglichst zu vermeiden.
Die voranschreitende Digitalisierung, die Globalisierung sowie die daraus resultierende beschleunigte technologische Entwicklung bringen heute für die Industrieländer Herausforderungen im Hinblick auf Wachstum, Beschäftigung und Strukturwandel mit sich, denen nur mit einer entsprechenden Innovationsdynamik und -dichte begegnet werden kann. Grundvoraussetzung hierfür ist eine leistungsfähige Forschung und Entwicklung ebenso wie Wissens- und Technologietransfer zur Umsetzung von Forschungsergebnissen in marktfähige Produkte und Dienstleistungen. Europa hat sich im Rahmen des Lissabon-Prozesses zum Ziel gesetzt, den Anteil der Forschungsausgaben am Bruttoinlandsprodukt auf 3 % zu steigern. Um die Forschungsinfrastruktur in der Bundesrepublik zu stärken und global wettbewerbsfähig zu bleiben, hat die Bundesregierung mit der Hightech-Strategie 2025 einen weiteren wichtigen Schritt zur Förderung des wissenschaftlich-technischen Fortschritts in Deutschland getan.
Forschungsprogramme sind sowohl für Forschungseinrichtungen als auch für Mittelgeber ein wichtiges Instrument für die Darstellung und Steuerung ihrer Aktivitäten. Dies gilt auch für die Bundeseinrichtungen mit Forschungs- und Entwicklungsaufgaben, zu denen die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) zählt. Die BAM verfügt über einen klaren gesetzlichen Auftrag für die Sicherheit in Technik und Chemie. Ihre Forschung ist mit der Wahrnehmung öffentlicher Aufgaben verbunden. Das Forschungsprogramm zeigt Perspektiven im Bereich ihres Aufgabenfeldes sowie ihrer damit verbundenen Forschungsaktivitäten transparent und politisch nutzbar auf und dient darüber hinaus der Koordinierung der Ressortforschung. Das Forschungsprogramm der BAM wird alle zwei Jahre aktualisiert. Es gibt einen Überblick über die aktuellen und zukünftigen Forschungsthemen und die hierfür erforderlichen Rahmenbedingungen.
Additive Fertigungsverfahren, speziell das selektive Laserschmelzen sowie das Laserpulverauftragsschweißen, ermöglichen eine enorme Steigerung der Flexibilität und erlauben Kleinserienteile mit hoher Genauigkeit und geringen Kosten herzustellen.
Für den erfolgreichen wirtschaftlichen Einsatz dieser neuartigen Fertigungsverfahren spielt die Einhaltung des First-time-right-Prinzips eine entscheidende Rolle: Bauteile sollten bereits im ersten Versuch allen Anforderungen genügen. Aufgrund der jungen Geschichte dieses Fertigungszweigs und der damit einhergehenden fehlenden Erfahrungen und Richtlinien ist diese elementare Forderung heute nur in wenigen Fällen realisierbar. Die geforderten Qualitätsstandards können aktuell nur über experimentelle Iterationsschleifen eingehalten werden, sodass das große Potential einer flexiblen und schnellen Fertigung in erheblichem Maß reduziert wird. Die Komplexität der gefertigten Bauteile und die des Prozesses an sich lassen eine erfahrungsbasierte Vorhersage der Verzüge und Eigenspannungen kaum zu. Zudem werden auch in Zukunft Richtlinien und Normen nicht das komplette Anwendungsspektrum abbilden können. Die eigenspannungsbedingten Verzüge spielen demnach eine bedeutende Rolle und stellen zusammen mit dem Erreichen der Maßhaltigkeit eine entscheidende technologische Herausforderung beim Einsatz additiver Fertigungsverfahren dar. Die numerische Simulation ermöglicht die Vorhersage von Bauteilverzügen und –spannungen und kann durch virtuelle Abprüfung von Herstellstrategien die Anzahl von Experimente reduzieren. Bisherige numerische Betrachtungen von zusatzwerkstoffbasierten Verfahren, zu denen unter anderem das Laserpulverauftragschweißen (LPA) gehört, beschränkten sich primär auf akademische Beispiele mit geringer Komplexität. Für die Simulation von konkreten Anwendungsfällen auf Bauteilebene liegen bisher keine validierten, numerischen Methoden und Ansätze vor, die eine wirtschaftliche Anwendung der Schweißsimulation ermöglichen.
Dieses Projekt wird Simulationsmodelle zur numerischen Betrachtung komplexer additiv gefertigter Bauteile entwickeln. Dafür wird der Prozess in vereinfachten Simulationen nachgebildet und anhand von Experimenten validiert. Anschließend werden Methoden zur automatisierten Pfadgenerierung für komplexe Bauteile erprobt und in der Simulation implementiert. Schließlich werden zur Reduktion der Rechenzeit verschiedene Methoden zur Vereinfachung evaluiert und verglichen. Das Ziel ist die Steigerung der Verlässlichkeit in der Simulation, um prädiktive Aussagen über die Qualität additiv gefertigter Bauteile zu ermöglichen.