Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
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Metallische Druckgefäße werden aus Gründen der Gewichtseinsparung zunehmend durch Composite-Druckgefäße ersetzt. Während der Alterungsprozess bei metallischen Druckgefäßen durch Wöhlerkurven hinreichend beschrieben wird, ist der Alterungsmechanismus bei Composite-Druckgefäßen noch nicht vollständig geklärt. Im Rahmen des BAM-interne Themenfeldprojekts COD-AGE werden mit diversen Verfahren alterungsbegleitende, zerstörungsfreie Prüfungen an Composite-Druckgefäßen durchgeführt. Nach einem kurzen Überblick über die BAM und den FB 8.4 werden zunächst die allgemeine Funktionsweise der Wirbelstromprüfung und die bildgebende Wirbelstromprüfung erklärt. Anschließend werden Ergebnisse der konventionellen und hochfrequenten Wirbelstromprüfung vorgestellt.
Der letzte Teil des Vortrages beschäftigt sich mit der Prüfbarkeit von Kunststoffen aus Kunstharz und 3D-Druck mit dem Wirbelstromverfahren durch Zugabe ferromagnetischer Nanopartikel bzw. Verwendung von ferromagnetischem Filament.
The detection of delamination, rot, and cracks in wooden construction elements is a key task for nondestructive testing (NDT). Air-coupled ultrasound (ACU) is used to detect defects and damage without altering the structure permanently. Using through transmission it is possible to detect even small holes and missing adhesive. After interpretation of the inspection data, an assessment of the mechanical properties based on an appraisal of internal defects in the material is feasible. Novel ferroelectret transducers with a high signal-to-noise ratio (SNR) enable a high-precision structure recognition. The transducers made of cellular polypropylene (PP) are quite suitable for ACU testing due to their extremely low Young’s modulus and low density which result in a favorable acoustic impedance for the transmission of ultrasonic waves between the transducer and air. Thus, structures with great dimensions, thickness up to 300 mm and material densities under 500 kg/m³ can be inspected. Promising results were obtained under laboratory conditions with frequencies from 90 kHz to 200 kHz. The advantage of ACU transducers is that they do not require contact to the sample, are accurate, and cost effective. Ultrasonic quality assurance for wood is an important attempt to increase the acceptance of wooden structures and towards sustainability in civil engineering in general.
Composite-Druckgefäße für den Gefahrguttransport sowie für Wasserstoff- und Erdgasfahrzeuge bestehen aus einem lasttragenden Composite und einer gasdichten, metallischen oder polymeren Barriereschicht (Liner). Zur Untersuchung des Alterungsverhaltens solcher Composite-Druckgefäße wurde in der BAM das interdisziplinäre Themenfeldprojekt COD-AGE durchgeführt. Ziel des Projektes war die Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung und Bestimmung des Alterungsverhaltens von Carbonfaser-Compositen am Beispiel von Druckgefäßen, um eine bessere Vorhersage der Alterung und der sicheren Gebrauchsdauer zu ermöglichen. Ein Schwerpunkt in diesem Projekt war die Bereitstellung geeigneter ZfP-Methoden. Dabei ging es sowohl um versuchsbegleitende Prüfungen, als auch um die mögliche Entwicklung von Prüfeinrichtungen für den späteren praktischen Gebrauch.
In dem Vortrag werden Prüfergebnisse der alterungsbegleitenden Wirbelstromprüfung an Composite-Druckgefäßen vorgestellt.
In Alterungsversuchen wurden Druckgefäße aus einem ca. 4 mm dicken Aluminiumliner und ca. 8 mm dicker CFK-Ummantelung untersucht. Typisches Einsatzgebiet solcher Druckgefäße sind Atemschutzgeräte der Feuerwehr. Die Druckgefäße wurden sowohl mit konventioneller Wirbelstromtechnik von außen und von innen als auch mit hochfrequenter Wirbelstromtechnik von außen geprüft. Es konnten sowohl Beschädigungen des metallischen Liners, als auch Strukturen des CFK-Geflechts nachgewiesen werden. Eine besondere mechanische Herausforderung bestand in der Prüfung der Innenseite der Liner, da hier eine zylindrische Fläche mit einem Innendurchmesser von 150 mm durch einen Zugang von nur 15 mm Durchmesser geprüft werden muss.
Die Additive Fertigung (AM) wird eingesetzt, um komplexe Bauteile für die Luftfahrt-, Medizin- und Automobilindustrie kostengünstig und zeitsparend herzustellen. Der Einsatz von AM in der Industrie erfordert eine strenge Qualitätskontrolle der hergestellten Teile, um die geforderten Normen erfüllen zu können. Aus diesem Grund spielen die Prozessüberwachung und die Anwendung von Methoden der zerstörungsfreien Prüfung eine große Rolle, was im Fokus unserer aktuellen Forschung steht. In dieser Arbeit benutzen wir Röntgenrückstreuung, welche lediglich einen einseitigen Zugang zum Objekt benötigt, um innenliegende, künstlich hergestellte Defekte in additiv gefertigten Stufenkeilen aus Polyamid 12 (PA 12, Laser Sintering) sowie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS, Fused Layer Modeling) zu untersuchen. Dafür wurde ein von der Firma AS&E (Boston, USA) konstruierter Prototyp verwendet, der ursprünglich für den Sicherheitsbereich entwickelt wurde. Die Messung der Rückstreuung basiert auf der Flying-Spot Technik mit einem stark kollimierten Nadelstrahl, erzeugt von einem rotierenden Kollimator, wobei großflächige Detektoren die rückgestreute Strahlung sammeln. Da die Anforderungen an die räumliche Auflösung sowie die Kontrastempfindlichkeit in der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) über denen im Sicherheitsbereich liegen, ist eine Optimierung des Prototyps notwendig, um eine Bildqualität zu erreichen, wie sie in der ZfP gefordert ist. Darüber hinaus wurden klassische Durchstrahlungsprüfungen durchgeführt, um die Fähigkeit des Rückstreusystems bei der Defekterkennung in den untersuchten Objekten einschließlich innenliegender Defekte vergleichen und bewerten zu können. Die nachweisbaren Poren und Lufteinschlüsse sind in den Durchstrahlungsaufnahmen, besonders bei den PA 12 Proben, kleiner als in den mittels Rückstreuung erzeugten Bildern. Daher ist eine weitere Optimierung des AS&E- Prototypen notwendig und zusätzliche Untersuchungen sind erforderlich, um die ZfP-Anforderungen zu erfüllen und die Anwendungsgrenzen dieses Geräts zu ermitteln. Jedoch zeigen Vergleichsmessungen mit gedruckten Leichtmetallen (Al), dass die Rückstreutechnik eine vielversprechende Methode zur in-situ Qualitätssicherung mehrerer cm großer Bauteile mit inneren Defekten ab ca. 400 μm Größe ist.
Es wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS und mittels Laser Sintering (LS) Probekörper aus PA 12 hergestellt, die anschließend für drei Monate einer künstlichen Bewitterung unterzogen wurden. Die dabei erzeugte definierte Alterung wurde nach drei Zeitabschnitten jeweils mit zerstörungsfreien Methoden charakterisiert. Dabei wurde neben den spektroskopischen Standardmethoden auch die aktive Thermografie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mittels der Thermografie sowohl chemische Veränderungen als auch mechanische Schädigungen (Fehlstellen) darstellen lassen. Die Bewitterung beeinflusst die Teiltransparenz der Proben zumindest im sichtbaren Spektralbereich, was bei der Charakterisierung der Fehlstellen, die mittels optisch angeregter aktiver Thermografie detektiert wurden, berücksichtigt werden muss.
Die Erkenntnisse dienen für die Entwicklung einer Strategie für eine Qualitätskontrolle von additiv gefertigten Kunststoffteilen.
Es wurden Prüfkörper aus additiver Fertigung mittels Laser Sinter Verfahren (Polyamid 12, PA 12) und Fused Layer Modeling (Acrylnitril-Butadien-Styrol, ABS) sowie Prüfkörper aus dem Kunststoff-Spritzguss Verfahren (PA 12 und ABS) über 2000 Stunden künstlich bewittert. Vor, während und nach der Bewitterung erfolgte eine zerstörungsfreie Prüfung mittels Thermografie, optischer Mikroskopie und spektralen Methoden (UV/VIS-Spektroskopie und spektrale Reflexion), um den Alterungsfortschritt zu untersuchen und Schäden durch die künstliche Bewitterung sowie eingedruckte Defekte zu identifizieren und zu detektieren.
Zusätzlich wurden zerstörende Zugprüfungen vorgenommen, welche mit einer IR-Kamera verfolgt wurden. Auf diese Weise konnten lokale Temperaturänderungen, hervorgerufen durch elastische sowie plastische Verformungen, zeitaufgelöst erfasst und ausgewertet werden.
Microstructural changes in porous cordierite for diesel particulate filter applications caused by machining were characterized using microtensile testing and X-ray computed tomography (XCT). Young’s modulus was determined on ~215-380 m thick machined samples by digital image correlation. Results show a decrease of Young’s modulus due to machining of the thin samples. Explanation of this phenomenon was provided by XCT: the presence of debris due to machining and the variation of porosity due to removal of the outer layers were quantified and correlated with the introduction of further microcracking.
This study is shown as an example of the potential of synchrotron X-ray refraction technique to determine the evolution of damage in brittle (microcracked) materials. The strength of X-ray refraction resides in its high detectability of features (e.g., cracks, pores) within large volumes, enabling a macroscopic characterization of the microstructure. The case study is a Zirconia-based cast refractory, which is aimed to function at high temperatures (even in excess of 1700°C) in industrial furnaces to enable the production of special glasses. Therefore, this material must withstand severe in-service conditions (both thermomechanical and chemical). X-ray refraction technique is used to monitor the microcracking evolution of the material, which was previously subjected to thermal cycles (crossing the martensitic phase transformation around 1000°C) at two different stress levels.
X-ray refraction is analogous to visible light deflection by matter; it occurs at boundaries between different media. The main difference between visible light and X-rays is that in the latter case deflection angles are very small, from a few seconds to a few minutes of arc (i.e., the refraction index n is near to 1). Importantly, deflection of X-rays is also sensitive to the orientation of the object boundaries. These features make X-ray refraction techniques extremely suitable to a) detect defects such as pores and microcracks and quantify their densities in bulk (not too heavy) materials, and b) evaluate porosity and particle properties such as orientation, size, and spatial distribution (by mapping). While X-ray refraction techniques cannot in general image single defects, they can detect objects with size above a few wavelengths of the radiation.
Such techniques, especially at the Synchrotron BESSY II, Berlin, Germany, can be used in-situ, i.e. when the specimen is subjected to temperatures or external loads.
The use of X-ray refraction analysis yields quantitative information, which can be directly input in kinetics, mechanical and damage models.
We hereby show the application of non-destructive X-ray refraction radiography (SXRR, 2D mapping also called topography) to problems in additive manufacturing:
1) Porosity analysis in PBF-LM-Ti64. Through the use of SXRR, we could not only map the (very sparse) porosity distribution between the layers and quantify it, but also classify, and thereby separate, the filled porosity (unmolten powder) from the keyhole and gas pores (Figure 1).
2) In-situ heat treatment of laser powder bed fusion PBF-LM-AlSi10Mg to monitor microstructure and porosity evolution as a function of temperature (Figure 2). By means of SXRR we indirectly observed the initial eutectic Si network break down into larger particles as a function of increasing temperature. We also could detect the thermally induced porosity (TIP). Such changes in the Si-phase morphology upon heating is currently only possible using scanning electron microscopy, but with a much smaller field-of-view. SXRR also allows observing the growth of some individual pores, usually studied via X-ray computed tomography, but again on much smaller fields-of-view.
Our results show the great potential of in-situ SXRR as a tool to gain in-depth knowledge of the defect distribution and the susceptibility of any material to thermally induced damage and/or microstructure evolution over statistically relevant volumes.