Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Ellipsometrical characterization of poly-dopamine layers considered for technical applications
(2024)
Although the organic molecule dopamine (3,4-dihydroxyphenethylamine) is commonly known as the “hormone of happiness”, thin films of poly-dopamine also have interesting technical properties. When produced by dip coating, the self-organizing layers grow in a reproducible thickness of single or multiple molecule monolayers of a few nanometer thickness only. In this work, we introduce a method of determining the layer thickness of poly-dopamine on mirrors for astronomical X-ray telescopes. This work is based on spectroscopic ellipsometry measurements and involves the development of an optical model for the poly-dopamine layers including the dielectric function. Thereby the complex refractive index of the produced layers was determined, covering the range from the ultraviolet to the near infrared spectral region. These measurement results and the corresponding technical challenges are presented in this contribution. Furthermore, an outlook to potential technical applications of this interesting material is given and poly-dopamine layers will make scientist and engineers hopefully happy as an innovative and fascinating technical solution for the future.
High Temperature Fatigue Crack Growth in Nickel-Based Alloys Refurbished by Additive Manufacturing
(2024)
Hybrid additive manufacturing plays a crucial role in the restoration of gas turbine blades, where, e.g., the damaged blade tip is reconstructed by the additive manufacturing process on the existing blade made of a parent nickel-based alloy. However, inherent process-related defects in additively manufactured material, along with the interface created between the additively manufactured and the cast base material, impact the fatigue crack growth behavior in bi-material components. This study investigates the fatigue crack growth behavior in bi-material specimens of nickel-based alloys, specifically, additively manufactured STAL15 and cast alloy 247DS. The tests were conducted at 950 °C with stress ratios of 0.1 and −1. Metallographic and fractographic investigations were carried out to understand crack growth mechanisms. The results revealed significant retardation in crack growth at the interface. This study highlights the potential contributions of residual stresses and microstructural differences to the observed crack growth retardation phenomenon, along with the conclusion from an earlier study on the effect of yield strength mismatch on crack growth behavior at a perpendicular interface in bi-material specimens.
The magnetohydrodynamic (MHD) technology is recognized as a promising approach for improving the quality of deep penetration laser beam welding. This study employs experimental and numerical methods to investigate the effects of an auxiliary oscillating magnetic field on reducing porosity in the laser beam welding of 5754
aluminum alloy. The experimental results clearly demonstrate a significant reduction of 97% in the porosity ratio of the welded joints applied with an oscillating magnetic field compared to those without magnetic field, thereby validating the efficiency of applying MHD technology in mitigating porosity during the laser beam welding process. In addition, a transient 3D multi-physical model has been developed, integrating the MHD model and metal vapor plume, to gain a more comprehensive understanding of the porosity suppression mechanism. The weld pool shape is significantly widened and enlarged because of the Lorentz force, which facilitates the escape of gas bubbles. Meanwhile, the introduction of an oscillating magnetic field generates a time-averaged downward Lorentz force. This averaged downward Lorentz force, in turn, enhances and stables the downward fluid flow, which hinders the bubble backward movement. Meanwhile, this averaged downward Lorentz force induces an upward electromagnetic expulsive force on the bubble, which effectively increases the upward escape velocity of bubbles in the weld pool. The simulation results agree well with the experimental results.
Der Absorptionsgrad metallischer Werkstoffe spielt bei Fügeprozessen mit einer Strahlungsquelle wie dem Hochleistungslaserstrahltiefschweißen eine bedeutende Rolle. Dieser beeinflusst die Menge der absorbierten Laserenergie, welche zum Aufschmelzen sowie zur lokalen Verdampfung des zu verbindenden Materials führt. Die Laserstrahlabsorption wird von vielen physikalischen Faktoren, z.B. Laserprofil, Laserwellenlänge, Materialeigenschaft sowie Temperatur, entschieden. Dennoch wird die Temperaturabhängigkeit in vielen Simulationsarbeiten häufig ignoriert und stattdessen ein empirisch angepasster Parameter zur Kalibrierung der Ergebnisse implementiert. Diese Vorgehensweise wirkt sich negativ auf die Zuverlässigkeit des numerischen Modells sowie auf die Vorhersagbarkeit der Simulationsergebnisse aus. In der vorliegenden Arbeit wird die Temperaturabhängigkeit des Laserabsorptionsgrades in ein selbstkonsistentes zweiphasiges Modell unter Berücksichtigung der gekoppelten 3D-Fluidströmung und Wärmeübertragung einbezogen. Die berechnete Laserstrahlabsorption wird durch die temperaturabhängigen Materialeigenschaften, die Lasercharakteristik und den Einfallswinkel des Laserstrahls bestimmt. Die freie Oberfläche jeder Phase wird mithilfe der Volume-of-Fluid Methode (VOF), berechnet und die Laser-Material-Wechselwirkung wird durch ein implementiertes Ray-Tracing-Verfahren modelliert, welches auf einem lokalisierten Level-Set-Algorithmus basiert. Anschließend wird die transiente Wärmeeinbringung und die Geometrie der Schweißnaht analysiert und mit dem temperaturunabhängigen Absorptionsmodell verglichen. Es wurde festgestellt, dass die Temperaturabhängigkeit der Laserabsorption entscheidend für die genaue Bestimmung der Wärmeeinbringung und der Schmelzbadgeometrie ist. Das entwickelte Modell wurde anhand der experimentellen Untersuchungen validiert und die Bedeutung der Temperaturabhängigkeit bei der Laserstrahlabsorption wurde für die Simulation des Laserstrahltiefschweißens quantifiziert.
Die Fließfähigkeit von Metallpulvern gilt als wichtige Pulvereigenschaft für den additiven Aufbau mittels Laser, wobei bisher wenige Arbeiten die Auswirkungen im Laserpulverauftragschweißen (Engl.: Directed Energy Deposition DED-LB) untersuchen. Arbeiten, die sich mit den Pulvereigenschaften für Pulverbettverfahren beschäftigen, zeigen Korrelationen zwischen Partikelgrößenverteilung und Fließeigenschaften mit der Bauteildichte und den mechanischen Eigenschaften. Sie bewerten insbesondere Pulverbettdichte und -stabilität. In der vorliegenden Arbeit werden daher die Eigenschaften zweier Pulverfraktionen (20 µm – 63 µm und 63 µm – 150 µm) des austenitischen Stahls AISI 316L und deren freien Ausfluss im Vergleich zur Pulverdichte untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass die feinere Pulverfraktion eine um 14,5 % höhere Durchflussrate erzielt als die gröbere Fraktion. korreliert die Ergebnisse zur inneren Porosität und Partikelgrößenverteilung.
Die Analyse der Bauteilqualität zeigt einen geringen Einfluss der Korngrößenverteilung auf die Porosiät der DED-LB aufgebauten Quader.
Hochbelastete Stahlbauteile lassen sich durch Auftragen von Kobalt-Chrom Legierungen vor Verschleiß schützen. Die plötzliche Änderung der Materialeigenschaften führt jedoch zu Spannungen und Rissen im Anbindungsbereich. Daraus resultierende Abplatzungen stellen eine Gefahr für die Funktionsfähigkeit der Maschine und damit für Mensch und Umwelt dar. Um die Belastbarkeit der Schutzschicht zu verbessern, kann die Anbindung durch einen gradierten Materialübergang optimiert werden. Diese funktional gradierten Materialien können mittels pulverbasiertem Directed Energy Deposition aufgetragen werden. Die Methodik zum Aufbau und zur Qualitätssicherung solcher Materialien wurde in vorangegangenen Arbeiten für dickwandige Geometrien gezeigt. Für dünnwandige Geometrien ist die Anwendbarkeit bisher unzureichend untersucht worden. Diese Arbeit zeigt am Beispiel einer dünnwandigen gradierten Schneckengeometrie die Einsatzfähigkeit der Methodik. Dafür wird die Gefügestruktur der Gradierung auf Fehler untersucht und der Härteverlauf gemessen. Außerdem wird die relative Dichte anhand eines bereits trainierten neuronalen Netzes vorhergesagt und mit einer Porositätsuntersuchung verglichen.
Defects are still common in metal components built with Additive Manufacturing (AM). Process monitoring methods for laser powder bed fusion (PBF-LB/M) are used in industry, but relationships between monitoring data and defect formation are not fully understood yet. Additionally, defects and deformations may develop with a time delay to the laser energy input. Thus, currently, the component quality is only determinable after the finished process.
Here, active laser thermography, a nondestructive testing method, is adapted to PBF-LB/M, using the defocused process laser as heat source. The testing can be performed layer by layer throughout the manufacturing process. We study our proposed testing method along experiments carried out on a custom research PBF-LB/M machine using infrared (IR) cameras.
Our work enables a shift from post-process testing of components towards in-situ testing during the AM process. The actual component quality is evaluated in the process chamber and defects can be detected between layers.
Hybrid additive manufacturing is becoming increasingly important in the field of additive manufacturing. Hybrid approaches combine at least two different manufacturing processes. The focus of this work is the build-up of geometries onto conventionally manufactured parts using Powder Bed Fusion with Laser Beam of Metals (PBF-LB/M). The hybrid build-up requires a precise position detection system inside the PBF-LB/M machines to determine the exact position of the existing component. For this purpose, high-resolution camera systems can be utilized. However, the use of a camera system is associated with several challenges. The captured images are subject to various distortions of the optical path. Due to these distortions, it is not possible to use the images for measurements and, therefore, it is not possible to calculate the positions of objects. In this study a homography matrix is calculated to correct keystone distortion in the images. Different calibration patterns have been tested for the calculation of the homography matrix. The influence of the number of calibration points on the precision of position detection of objects is determined. Furthermore, the influence of an additional camera calibration by using ChArUco boards is evaluated. The result is a camera calibration workflow with associated calibration pattern for a precise position detection of parts inside PBF-LB/M machines allowing a hybrid build-up with minimum physical offset between base component and build-up.
A damaging action of HNO3-55% only occurs in combination with its decomposition into nitrous gases, which can be caused by UV radiation. In a laboratory test, transparent HDPE jerrycans have been exposed to both UV radiation and 55 wt-% nitric acid solution at (41 ± 2)°C, for up to 20 days. For comparison, UV radiant exposure (21 days) and nitric acid exposure (up to 6 weeks) were performed separately, at nearly equal temperatures. The respective damages are compared with FTIR spectroscopy in ATR and HT-gel permeation chromatography (GPC) on a molecular level and with hydraulic internal pressure testing as a component test. For the used jerrycans, relevant oxidation can only be found after the combined exposure. The gradual increase in oxidative damage shows the good reproducibility of the lab exposure. The decomposition of nitric acid into nitrous gases by UV radiation – as well as the jerrycan oxidation – is also observed at lower HNO3 concentration (28 wt- %). Similar results are obtained after outdoor tests. Again, the damage occurs only after combined exposure, in contrast to the exposures to UV only and to HNO3 only, which were conducted in parallel. Outdoor exposures are most readily accepted as they represent possible end-use conditions. However, the reproducibility of these exposures is poor due to the large temporal variations in weather. There are also several safety risks, which is why the number of replicates remains limited. Since the outdoor and lab exposure tests show the same qualitative results, it is appropriate to conduct systematic studies in the laboratory. After 6 days of lab exposure, the oxidation damage is rated as critical, which corresponds to about 1/10 year in Central Europe, according to the UV radiant exposure. It should be noted that this amount can also occur in two sunny weeks.
Das Ausbreitungsverhalten geführter Ultraschallwellen ermöglicht die großflächige Prüfung von Platten und schalenförmigen Bauteilen wie Rohren und Laminaten auf Fehlstellen von wenigen Prüfpunkten aus. Während die beschränkte Divergenz der geführten Wellen die Ultraschallprüfung begünstigt, erschwert das dispersive und multimodale Verhalten der Lamb-Wellen die Auswertung der Ultraschallsignale. Die dispersive und multimodale Wellenausbreitung verkompliziert die Bestimmung der Fehlerposition bei der Auswertung der Geschwindigkeiten einzelner Wellenpakete. Zudem ist es herausfordernd, einen einfachen Zusammenhang zwischen den Reflexionen der Fehlstelle und deren Größe und Form herzustellen. Eine Möglichkeit zur genauen Bestimmung der Fehlerposition und -geometrie bietet der direkte Vergleich der Messsignale mit den Signalen aus einem Simulationsmodell. Die Nachbildung des Schadens im Simulationsmodell stellt ein inverses Problem dar, das iterativ gelöst werden kann, indem ein Vorwärtsmodell immer weiter optimiert wird. Klassische Ansätze wie die Finite Elemente Methode (FEM) sind für die Simulation von Ultraschallwellen aufgrund der kleinen Wellenlängen im Vergleich zur Bauteilgröße meist ineffizient. Aus diesem Grund basiert das vorgestellte Vorwärtsmodell auf der semi-analytischen Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM), die große Teile der Wellenausbreitung analytisch berechnet. In diesem Beitrag wird die Validierung des zweidimensionalen Modells an Platten mit einer rechteckigen Nut als Ersatzfehler präsentiert und es werden erste Schritte zur Validierung von 3D-Modellen vorgestellt.