Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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The combination of microstructural data with other experimental techniques and with modeling is paramount, if we want to extract the maximum amount of information on porous material 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. I will show a few examples of possible use of X-ray tomographic data for quantitative assessment of porosity in ceramics.
Moreover, I will show how not-so-novel 2D characterization techniques, based X-ray refraction, can allow a great deal of insights in the damage evolution in microcracked (and porous) ceramics. I will show how X-ray refraction can detect objects (e.g. microcracks) below its own spatial resolution.
Finally, I will discuss the link between the microstructural findings and the mechanical properties of porous microcracked ceramics.
Absorption edge tomography, also known as differential tomography at absorption edges, is a method which exploits the sudden change of the attenuation coefficient, when the photon energy crosses the absorption edge of an element. Synchrotron radiation is the best source for absorption edge tomography, because of its small bandwidth, high intensity and easily adjustable photon energy. The synchrotron beamline BAMline at the synchrotron radiation facility BESSY II in Berlin, which is operated by the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), provides a monochromatized beam in a photon energy range from 5 keV up to 80 keV with a bandwidth of 2%, when the double multilayer monochromator is used. Together with the microtomography setup, this enables differential tomography with submicron resolution at the K edge of the elements from chromium up to the lanthanides, and up to uranium, when the L edges are used as well.
In this work, metal organic frameworks (MOFs) embedded in polymer are characterized using differential tomography. MOFs are microporous structures of metal ions, coordinated by organic linker molecules, that can be used in a broad field of applications, especially in gas storage and catalysis. In this work, polymer embedded MOFs were extruded into filaments, which could be used for 3d-printing to profit from the specific properties of the MOFs in polymeric materials combined with the arbitrary shapes provided by 3d-printing. For the extrusion, different polymer classes like ABS, polyester- and polyetherurethanes, as well as different MOFs (ZIF-8, ZIF-67, HKUST-1) were used to create MOF containing filaments with a nominal diameter of 3.0 mm. Differential tomography at the edges of the Zn, Co, and Cu was then used to find the distribution of the corresponding MOF in the filament and to analyze the shape of the inclusions.
Fiber-reinforced concretes (FRCs) offer significant improvements in tensile strength and durability compared to most other concrete mixes.
However, for safe and efficient use of FRC in large structures, anisotropy of fiber orientation needs to be understood and properly controlled. In this project, both cored samples extracted from a FRC slab and FRC samples cast individually in molds were assessed using X-ray computed tomography (CT) and measurements of fiber orientation were extracted from the resulting CT images. These results showed that fibers within the slab were highly anisotropic in orientation while fibers in individually cast samples showed a much more heterogeneous distribution of orientations.
This indicates that fiber orientation is highly dependent on the casting process and suggests that FRC can only be safely and efficiently utilized if anisotropic fiber orientation is properly accounted for during design and optimized casting methods are used during construction.
Der Mangel an Anwendungsrichtlinien und Validierungsverfahren für struktur-eingebettete faseroptische Dehnungssensoren, insbesondere auf Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Basis, führte bislang dazu, dass diese Sensoren trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften im Bereich der kommerziellen Material- und Strukturüberwachung nur in geringem Umfange eingesetzt wurden. Fragen zur Degradation der Sensoren unter Beanspruchung, Alterung durch klimatische Einflüsse und Enthaftung infolge Belastung der Struktur konnten bisher nur theoretisch simuliert oder anhand exemplarischer Proben für einzelne einflussnehmende Parameter im Labor untersucht werden. Die Erfassung des Sensorverhaltens im Bauteil unter komplexen Umwelteinflüssen während des Bauteilbetriebes, um damit eine Aussage zur Zuverlässigkeit der Sensormessdaten zu gewinnen, war bisher nicht möglich.
Im Forschungsprojekt FAMOS² wurde deshalb von 2014 bis 2018 die Realisierung eines Autodiagnoseverfahrens für faseroptische Dehnungssensoren erarbeitet, um die Funktionszuverlässigkeit und Langzeitstabilität der Sensoren während des Bauteilbetriebes innerhalb einer Bauteilstruktur bewerten zu können. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde gezeigt, dass ein FBG-Sensor mit einer speziell angepassten magnetostriktiven Schicht magnetisch so angeregt werden kann, dass mit einer zugeschnittenen Messmethodik zu jedem Zeitpunkt eine Bewertung der Sensorzuverlässigkeit unter Betriebsbedingungen möglich ist. Die auf den Sensor aufgebrachte magnetostriktive Schicht erzeugt bei Anregung mit einem passenden Magnetfeld eine gepulste, synthetische Dehnung. Diese Dehnung steht in einem definierten Verhältnis zum anregenden Magnetfeld und wird optisch über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge ausgelesen. Die Konstanz dieses Verhältnisses stellt dann ein Maß für die korrekte Funktionsfähigkeit des Sensors dar. Das Beschichtungs-verfahren, das magnetische Anregungs- und optische Ausleseverfahren, wie auch die Validierung des Sensors unter Berücksichtigung faseroptischer Effekte wurden während des Projekts konzeptionell entwickelt, aufgebaut und charakterisiert. Qualitativ kann mit diesem Verfahren zunächst eine Gut-/Schlecht-Beurteilung des Sensors vorgenommen werden. Perspektivisch bietet das Verfahren jedoch auch die Möglichkeit, verschiedene Versagensmechanismen bestimmen und klassifizieren zu können. Es zeichnete sich schon während des Projektverlaufs ab, dass sich aus den erzielten Ergebnissen über das Autodiagnoseverfahren hinaus weitere Anwendungsmöglichkeiten für den Einsatz des kombinierten magnetostriktiv-faseroptischen Sensorprinzips, beispielsweise als reiner Magnetfeldsensor, ergeben.
Nach Abschluss dieses Forschungsprojekts besteht nun die Möglichkeit, den Funktionszustand faseroptischer Dehnungssensoren jederzeit unabhängig von Alter, Belastung oder Kenntnis eines Referenzzustands zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen zu können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen können weiterführende Forschungen die Messmethodik vertiefend charakterisieren und weitere Anwendungsfälle erschließen.
Acoustic Emission
(2018)
Das Phänomen Schallemission (eng. Acoustic Emission, AE) ist eine Begleiterscheinung bei aktiven Mechanismen und Prozessen wie sie in Werkstoffen auftreten, die einer Belastung durch Krafteinwirkung oder durch Änderung der Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Plastische Verformung, Risswachstum, Korrosion oder der Übergang zu einer anderen Phase generieren u.a. transiente elastische Wellen, die sich im Werkstoff und an der Materialoberfläche ausbreiten. Auftretende Auslenkungen von wenigen hundert Pikometern sind mit piezo-elektrischen AE Sensoren detektierbar. Aufzeichnungsraten von bis zu 40 MHz ermöglichen dabei zeitliche Auflösungen von einigen Nano- bis Mikrosekunden. Die Dechiffrierung der detektierten Informationen ist für die Material- und Versagenscharakterisierung sowie für Anwendungen in der Struktur- oder Prozessüberwachung ein zentraler Forschungsschwerpunkt.
Nach einem kurzen Überblick zu den Grundlagen werden ausgewählte Ansätze der AE Methode vorgestellt und diskutiert:
1) AE Monitoring von Pipelines als Referenzmessung für die Entwicklung eines akustischen faseroptischen Monitorings (AGIFAMOR)
2) Schwellwertfreie AE Messung im 4-Punkt-Rohrbiegeprüfstand BAM_9.1 (AGIFAMOR)
3) Kombination von AE mit Röntgen-Mikrotomografie und die Anwendung der frequenzbasierten Mustererkennung ermöglichen eine Zuordnung von AE und Mechanismen (Ergebnisse aus dem SNSF Projekt Nr. 127'134, Baensch 2014, Diss. ETH No. 22372)
Acoustic emission testing
(2018)
Additively manufactured test specimens made of polyamide 12 (PA 12) by Laser Sintering (LS) as well as of acrylnitril-butadien-styrol (ABS) by Fused Layer Modeling (FLM), were tested with active thermography. For this, two different excitation methods (flash and impulse excitation) were used and compared, regarding the suitability for the detection of constructed and imprinted defects. To increase the quality of the thermograms, data processing methods like thermal signal reconstruction (TSR) and Fourier-Transformation were applied. Furthermore, the long-term stability of the probes towards environmental stress, like UV-radiation, heat, water contact and frost is being investigated in the presented project with artificial weathering tests.
Es wird ein Verfahren zur Charakterisierung der Beständigkeit und Langzeitstabilität von additiv gefertigten Kunststoff-Bauteilen vorgestellt. Dabei sollen die Prüfkörper über 2000 Stunden künstlich bewittert und währenddessen die Änderungen der Eigenschaften der Bauteile zerstörungsfrei untersucht werden. Die Erkenntnisse dienen für die Entwicklung einer Strategie für eine Qualitätskontrolle von additiv gefertigten Kunststoffteilen.
Es wird ein Verfahren zur Charakterisierung der Beständigkeit und Langzeitstabilität von additiv gefertigten Kunststoff-Bauteilen vorgestellt. Dabei sollen die Prüfkörper über 2000 Stunden künstlich bewittert und währenddessen die Änderungen der Eigenschaften der Bauteile zerstörungsfrei untersucht werden.
Es wird ein Verfahren zur Charakterisierung der Beständigkeit und
Langzeitstabilität von additiv gefertigten Kunststoff-Bauteilen vorgestellt. Dabei sollen die Prüfkörper über 2000 Stunden künstlich bewittert und währenddessen die Änderungen der Eigenschaften der Bauteile zerstörungsfrei untersucht werden.