Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Filtern
Dokumenttyp
- Vortrag (11)
- Posterpräsentation (2)
- Buchkapitel (1)
- Forschungsbericht (1)
Referierte Publikation
- nein (15)
Schlagworte
- Glas (15) (entfernen)
Organisationseinheit der BAM
Im Projekt GlasDigital sollen digitale Werkzeuge für die Hochdurchsatzentwicklung neuartiger Glaswerkstoffe erarbeitet werden. Dies soll durch die Kombination robotischer Syntheseverfahren mit selbstlernenden Maschinen und ihre Einbindung in eine Ontologie-basierte digitale Infrastruktur realisiert werden.
Gläser zeichnen sich durch eine breite und kontinuierlich abstimmbare chemische Zusammensetzung sowie einzigartige Formgebungstechniken aus, was sie oft zur Schlüsselkomponente moderner Hochtechnologien macht. Die Glasentwicklung ist jedoch oft noch zu kosten-, zeit- und energieintensiv. Der Einsatz von robotergestützten Schmelzsystemen, eingebettet in eine Ontologie-basierte digitale Umgebung, soll diese Probleme in Zukunft überwinden. Im Rahmen der BMBF Forschungsinitiative MaterialDigital unternimmt das Verbundprojekt GlasDigital „Datengetriebener Workflow für die beschleunigte Entwicklung von Glas“ erste Schritte in diese Richtung. Das Projektkonsortium, an dem das Fraunhofer ISC in Würzburg, die Friedrich-Schiller-Universität Jena (OSIM), die Technische Universität Clausthal (INW) und die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM, Fachgruppe Glas) beteiligt sind, will alle wesentlichen Basiskomponenten für eine beschleunigte datengetriebene Glasentwicklung zusammenführen. Zu diesem Zweck wird ein robotergestütztes Hochdurchsatz-Glasschmelzsystem mit neuartigen Inline-Sensoren zur Prozessüberwachung, auf maschinellem Lernen (ML) basierenden adaptiven Algorithmen zur Prozessüberwachung und -optimierung, neuartigen Werkzeugen für die Hochdurchsatz-Glasanalyse sowie ML-basierten Algorithmen zum Glasdesign, Data Mining sowie Eigenschafts- und Prozessmodellierung ausgestattet. Der Vortrag gibt einen Überblick darüber, wie all diese Komponenten miteinander verzahnt sind, und veranschaulicht ihre Nutzbarkeit anhand einiger Beispiele.
GlasDigital
(2023)
Die Werkstoffklassen
(2020)
Es werden die vier Werkstoffklassen Metalle, Keramiken, Polymere und Verbundwerkstoffe sowie ihre Untergruppen vorgestellt. Die metallischen Werkstoffe umfassen die Eisen- wie die Nichteisenwerkstoffe und ihre Legierungen. Neben den Ingenieurkeramiken werden auch Glas und Glaskeramik, Naturstoffe und Erdstoffe sowie Baustoffe behandelt.
Premature failure of glass under load is caused by sub-critical crack growth (SCCG) originate from microscopic flaws at the surface. While SCCG is related to the humidity of the ambient atmosphere, leading to stress corrosion phenomena at the crack tip, the detailed mechanism and the effect of different network formers are still not fully understood. For more clarity, various soda silicate glasses with a second network former were investigated by double cantilever beam technique: Na2O*Al2O3*SiO2 (NAS), Na2O*B2O3*SiO2 (NBS), Na2O*PbO*SiO2 (NPbS).
Three effects on the crack growth velocity, v, versus stress intensity, KI, curves were found out. The slope in region I, which is limited by corrosion, increases in the order NAS < NBS ≲ NPbS. The velocity range of region II reflecting the transition between corrosion effected and inert crack growth (region III), varies within one order of magnitude between the glasses. The KI region of inert crack growth strongly scatters between 0.4 and 0.9 MPam1/2. For comparison, crack growth at different humidity in commercial soda lime silicate glass (NCS) was measured.
Die Festigkeit von Gläsern wird durch die Oberflächenqualität beeinflusst. Kommt es neben dem Auftreten von Defekten zusätzlich zum Risswachstum ausgehend hiervon, wird die Festigkeit minimiert. Das Wachstum hängt dabei maßgeblich von der Luftfeuchtigkeit ab. Dieses Ermüdungsverhalten von Gläsern besser zu verstehen und dabei die Mechanismen und den Einfluss von im Volumen eingebauten Wasser auf das unterkritische Risswachstum zu untersuchen, ist Ziel der Arbeiten. Als Teilprojekt im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms SPP 1594 „Ultrastrong glasses“ soll der Einfluss des im Volumen eingebauten Wassers auf die Rissspitze untersucht werden. Zusammen mit der Leibniz Universität Hannover und der TU Clausthal werden hierfür hochwasserhaltige Gläser (bis zu 8 Gew%) bei 8 kbar über die Flüssigphase synthetisiert, die makroskopisch den hohen Wasseranteil nachstellen. Die Charakterisierung erfolgt hinsichtlich des Wassereinbaus, der mechanischen Eigenschaften und des Risswachstums. Die Arbeiten in Berlin beziehen sich hierbei auf die Messungen des unterkritischen Risswachstums in Luft und Vakuum, sowie Verlustwinkelmessungen.
Erste Ergebnisse zeigen Unterschiede im korrosionsbeeinflussten (langsames) und inerten (schnelles und im Vakuum stattfindendes) Risswachstumsverhalten der untersuchten Gläsern. Die Rissgeschwindigkeit beim Übergang vom korrosionsbeeinflussten zum inerten Risswachstum ist hin¬gegen für alle Gläser ähnlich und folglich ein kinetisch durch den äußeren Wassertransport an die Rissspitze bestimmter Prozess. Der Widerstand gegen Risswachstum steigt mit Tg und zusätzlich kann anhand der Verlustwinkelmessungen ein Zusammenhang zwischen der Netzwerk- und der β-Relaxation ermittelt werden. Je höher der Wassergehalt im Glas ist, desto niedriger wird Tg und einfacher das Risswachstum, welches sich durch längere Risse kennzeichnet. Besonders stark tritt dieser Effekt bei einem Überschuss an molekularem Wasser auf.
Ziel des Projektes war es, schwermetallfreie Schmelzfarben für den Einsatz auf einem Digitaldrucker zu entwickeln. Dafür sollten die Glasfarben, bei Temperaturen unter 630°C verarbeitbar und deren Eigenschaften kompatibel mit denen von Floatgläsern sein. Zudem sollte die aufgeschmolzene Farbe transparent und im Außenbereich eingesetzt beständig sein. Weiterhin mussten die Farben eine Partikelkorngröße kleiner als 20µm besitzen, um die Druckköpfe des Digitaldruckers nicht zu verstopfen. Gute Dispergierbarkeit, thixotropes Verhalten und eine schnelle Trocknung waren weitere Voraussetzungen. Die Ersetzung von PbO durch ZnO und Bi2O3 wurde getestet und zeigte positive Ergebnisse. Ein geeigneter Mahl-und Dispergierprozess wurde entwickelt. Bei der Firma „glas&räume“ wurden die Musterfarben getestet und zeigten ein gutes Druckverhalten. Bedingt durch das Tintenstrahlverfahren erreicht der Farbauftrag keine 100%ige Transparenz. Trotzdem erscheint die transparente keramische Schmelzfarbe im Vergleich zur Verwendung von opaker Schmelzfarbe tatsächlich völlig transparent. Der Unterschied ist signifikant und öffnet so ein neues Kapitel im keramischen Digitaldruck.
Um das Risswachstum in Gläsern zu untersuchen, sind in einer Glovebox 185 Risse ausgehen von Vickers-Eindrücken in Kalk-Natron-Glas initiiert und gewachsen. Die direkte Beobachtung des unterkritischen Risswachstums erfolgte mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Die Ergebnisse zeigen, dass die statistische Auswertung vieler radialer Risse von multiplen Rissevents notwendig ist, um eine Korrelation zum Spannungsintensitätsfaktor ziehen zu können.
Wasser hat einen starken Einfluss auf die Depolymerisation des Glasnetzwerks silikatischer Gläser, was sich durch eine deutliche Senkung der Glasübergangstemperatur, Tg, bemerkbar macht. So hat Wasser einen großen Einfluss auf die Alterung, Ermüdung und das unterkritische Risswachstum in Gläsern. Sub-Tg Relaxationsphänomene spielen hier ebenfalls eine große Rolle, sind aber für Gläser mit hohen Gehalten an strukturell gebundenem Wasser kaum untersucht. In dieser Arbeit wurden daher Kalk-Natron-Silikat (NCS) und Natrium-Borosilikat (NBS) Gläser mit Wassergehalten von bis zu 8 Gew.% mittels Differentialthermoanalyse (DTA), Mikropenetration und vor allem dynamisch mechanischer Thermoanalyse (DMTA) zur Charakterisierung netzwerkbedingter Relaxationsmechanismen (alpha-Relaxation) im Bereich des Glasübergangs sowie weiterer schnellerer sub-Tg Relaxationsmechanismen (beta-, gamma-Relaxation) bei tieferen Temperaturen untersucht. Mit Hilfe der IR-Spektroskopie wurde der Gesamtwassergehalt und die Speziation des Wassers als molekulares Wasser oder als OH-Gruppe in den Gläsern bestimmt.
Für niedrige Wassergehalte treten zwei sub-Tg Verlustpeaks auf, die der Bewegung von Alkali bei tiefen Temperaturen (gamma-Relaxation) und einer kooperativen Bewegung verschiedener mobiler Spezies unter Beteiligung von OH bei höherer Temperatur (betaOH- Relaxation) zugeordnet werden können. Bei hohen Wassergehalten, bei denen ein messbarer Anteil an molekularem Wasser im Glas vorliegt, ist ein weiterer Verlustpeak zu beobachten, der mit der Bewegung von molekularem Wasser im Glasnetzwerk in Verbindung gebracht werden könnte (betaH2O-Relaxation).
Die Entwicklung von Wasserstoffbarrieren aus Glas erfordert die Bestimmung geringer H2-Permeabililtäten. Bisherige Untersuchungen und numerische Simulationen haben gezeigt, dass die VHE-Pulvermethode (Vakuum-Heißextraktion mit massenspektrometrischem Gasnachweis) für die Bestimmung sehr geringer Diffusivitäten geeignet ist und nur geringe Glaspulvermengen benötigt werden. Die gemessene isotherme Gasabgabe wird dabei im Rahmen klassischer Diffusionsmodelle für sphärische Partikel gefittet und hieraus der H2-Diffusionskoeffizient berechnet. Über die aus den gleichen Messdaten bestimmte H2-Löslichkeit wird dann die H2-Permeabilität bestimmt. Bislang unklar ist jedoch der Einfluss von Abweichungen der Partikelform von der Kugelgestalt und der Partikelgrößenverteilung. Ausgehend von FE-Modellierungen mit COMSOL Multiphysics® wurde die Empfindlichkeit verschiedener Parameter (Partikelgröße, Partikelform, Partikelgrößenverteilung) auf die experimentelle Bestimmung des Diffusionskoeffizienten untersucht. Der Vortrag berichtet über daraus resultierende Optimierungen der Methode hinsichtlich der Probenvorbereitung und der Messdatenauswertung. Am Beispiel von Quarzglas wird gezeigt, dass mit der VHE-Pulvermethode annähernd die Genauigkeit klassischer Messverfahren erreicht wird. Weiter werden Messbeispiele an wesentlich gasdichteren Gläsern angegeben.
Bioaktive Gläser werden zur Knochenregeneration derzeit überwiegend in Form von Pulvern oder Pasten einge-setzt. Gesinterte Strukturen oder Fasergewebe werden hingegen bisher kaum klinisch genutzt. Grund hierfür sind die gegenläufigen Tendenzen von Prozessierbarkeit und Bioaktivität. Beim kommerziell etablierten Bioglass® 45S5 wird eine vollständige Sinterung durch Kristallisation verhindert. Aus diesem Grund war es das Ziel, neue Glaszusammensetzungen zu entwickeln, welche gleichermaßen eine gute Prozessierbarkeit und eine hohe Bioak-tivität aufweisen. Ausgehend vom Bioglass® 45S5 (SiO2-P2O5-CaO-Na2O) wurde das Calcium / Alkali-Verhältnis angehoben, Natriumoxid teilweise durch Kaliumoxid ersetzt und bis zu 8 mol% Calciumfluorid hinzugefügt, um dessen Tendenz zur Kristallisationsneigung zu verringern. Das Sinter- und Kristallisationsverhalten der neuen Gläser und der Einfluss der Korngrößenverteilung wurden mittels Partikelgrößenanalyse, Erhitzungsmikroskopie DTA, DSC, FTIR, XRD und REM untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die neuentwickelten Gläser ein deutlich verbessertes Sinterverhalten aufweisen und relative Dichten von 88 – 99 % erreichen. Dagegen konnten vergleichbare Bioglass® 45S5 -Pulver nur bis auf 57 – 67 % gesintert werden. Diese Beobachtung sowie XRD- und FTIR-Messungen belegen, dass Bioglass® 45S5 bereits während des Sinterns kristallisiert wogegen die neu entwickelten Gläser erst nach dem vollständigen Verdichten kristallisieren.
Phänominilogische Studien des Blähens von bioactiven Gläsern verschiedener Zusammensetzung und Unteruschung des Einflusses einer Kristallisation. Die ausgasenden Komponenten wurden mittels Vakuumheißextraktion(VHE) und Infrarotspektroskopie identifiziert sowie der Einfluss von Korngröße, Mahldauer und -atmosphäre auf das Blähen unterucht.
Die Entwicklung von Wasserstoffbarrieren aus Glas erfordert die genaue Messung geringster H2-Permeabililtäten. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass die VHE-Pulvermethode diesbezüglich eine besonders hohe Empfindlichkeit bietet. Hierbei wird die isotherme Gasabgabe aus sphärischen Partikeln im Rahmen klassischer Diffusionsmodelle gefittet und daraus der Diffusionskoeffizient bestimmt. Für die Untersuchung von Gläsern mit möglichst geringer H2-Permeabilität ist jedoch eine Validierung der Genauigkeit der Methode notwendig. Vor diesem Hintergrund erfolgte die numerische Modellierung der H2-Abgabe mit Hilfe des Programms COMSOL Multiphysics®. Im Poster wird der Einfluss der Korngrößenverteilung der Glaspulverpartikel, der Partikelform sowie der Effekt einer nichthomogenen H2-Startverteilung auf die mittels Pulvermethode ermittelten Diffusionskoeffizienten diskutiert.