Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Das polnische Bergbauinstitut GIG richtet alle zwei Jahre eine Fachtagung mit dem Thema „Sicherheit bei Sprengarbeiten“ im kleinen Bergstädtchen Ustroń (Polen) aus. Die Tagung hat eine internationale Ausrichtung und bietet Vorträge und Themen sowohl in englischer als auch polnischer Sprache. Es werden Ergebnisse anwendungsorientierter Forschung sowie aus der Praxis der Sprengarbeit vorgestellt. Teilnehmer und Beiträge kommen sowohl von großen Bergbaubetrieben und in Polen tätigen Herstellern als auch von Instituten und Behörden. Im Jahr 2018 war auch die BAM vertreten und der Autor möchte hiermit von den vielfältigen Themen berichten. Es gibt eine gewisse Ähnlichkeit zu der jährlich in Siegen stattfindenden „Informationstagung Sprengtechnik“ des Deutschen Sprengverbandes, wobei bisher wenig inhaltlicher Austausch stattfindet.
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.
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.
Additive Fertigungsverfahren gewinnen aufgrund der schnellen, flexiblen und kostengünstigen Fertigung von Bauteilen zunehmend an Bedeutung. Das Laserpulverauftragschweißen (LPA) wurde anfangs hauptsächlich als Beschichtungsverfahren eingesetzt. Diese Technologie bewerkstelligt aber auch das Reparieren von verschlissenen Bauteilen, sodass diese zeitsparend und ressourcenschonend erneuert werden können. Die hohe Aufbaurate, die flexible Pulverzusammensetzung sowie die hohe Endkonturnähe ermöglichen die Entwicklung und additive Fertigung von neuen Materialien.
Im Rahmen dieses Beitrages wurde das Verfahren des Laserpulverauftragschweißens zur additiven Fertigung von Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen angewandt. Diese Legierungsgruppe ist aufgrund der Eigenschaft der Gestalterinnerung ein äußerst interessantes Legierungssystem mit unterschiedlichen Anwendungsbereichen, wie zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie in der Medizintechnik. Zur Erzeugung einer äquiatomaren NiTi-Legierung wurden die Elementpulver in einem Verhältnis von 55,9 wt.% Nickel und 44,1 wt.% Titan miteinander vermischt. Das Auftragen von Einzelspuren, Schichten und dreidimensionalen Körpern erfolgte auf unterschiedlichen Substratplatten aus Titan-, Nickel- und Nickeltitanlegierungen. Die metallographischen Untersuchungen zeigten, dass sich in Abhängigkeit des Substratmaterials unterschiedliche Phasen ausbilden und Risse vom Substrat durch den additiven Aufbau auftreten. Bei mehrlagigem Aufbau kam es sogar zur Ablösung des additiven Aufbaus von der Substratplatte. Der artgleiche additive Aufbau, sprich NiTi-Legierung auf einem NiTi-Substrat (Ni50,8Ti49,2 in at.%), führte zur keiner Materialablösung. Das Gefüge sowie die Phasenzusammensetzungen bieten in diesem Bereich noch viel Forschungsbedarf.
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) hat sich in den letzten Jahren als eine vielseitige Abbildungstechnik von Oberflächen mit einer sehr hohen Ortsauflösung etabliert. Über die Untersuchung der reinen Oberflächentopographie sind erweiterte Modi in der Lage, gleichzeitig Informationen über die elektrischen und magnetischen Eigenschaften sowie Adhäsionsprozesse auf Oberflächen zu liefern. Interessanter wird es, wenn das AFM mit geeigneten Messzellen für in-situ-Untersuchungen in kontrollierten Atmosphären oder in Elektrolyten unter elektrochemischer Kontrolle ausgestattet ist. Dies ermöglicht die Untersuchung von Korrosions- und Adhäsionsprozessen unter Bedingungen, die die Betriebsumgebung repräsentieren.
Ein aktueller Forschungsschwerpunkt unseres Fachbereiches liegt in den Untersuchungen der Deformationseigenschaften von Funktionsschichten auf Leichtmetalllegierungen, sowie in situ Untersuchungen des Korrosionsverhaltens unter kombinierter korrosiver und mechanischer Beanspruchung mittels AFM. Durch die Integrierung eines Zug-Druckmoduls in den Probentisch des Rasterkraftmikroskops haben wir jetzt die Möglichkeit, verschiedene Materialien uniaxialen Umformversuchen mit bis zu 5 kN Kraft zu unterziehen. Dabei können unter anderem auch zyklische Belastungen genutzt werden, um Ermüdungsprozesse zu simulieren. Da die Messungen in situ ohne die De- und Remontage der Probe durchgeführt werden, ermöglicht der Aufbau nicht nur Messungen mit präziser Positionssteuerung, sondern auch die Untersuchung von Prozessen im elastischen Bereich, die für die Aufklärung der Mechanismen, die zu Ermüdungsversagen führen, entscheidend sind.
Die Posterpräsentation wird detaillierte Informationen zum neuen AFM-Setup liefern und unsere aktuellen Ergebnisse zur Verformung dünner Schutzschichten auf AA2024-T3 zusammenfassen.
The copper alloyed stainless steel 1.4542 (X5CrNiCuNb16-4) is used in different areas due to its good mechanical properties and corrosion resistance. Strength and corrosion re-sistance can be adjusted by the heat treatment, which is of importance for the application of this alloy. The mechanical properties (strength and hardness) are attributed to the dispersive precipitation of the copper rich ε–Phase. The additional precipitation of chromium carbides can reduce the corrosion resistance. Different ageing states were produced to investigate the precipitation behaviour with various methods. Furthermore, the influence of cold-rolling on the precipitation behaviour was studied in comparison to a solution annealed state without deformation. The microstructure was studied by SEM and the variations of hardness and magnetic proportion were characterised. The electrochemical potentiodynamic reactivation (EPR) was used to determine the corrosion resistance and detect chromium depletion in all heat-treated states. The results show that a work hardening accelerates the precipitation rate, while ageing at 600 °C reduces the corrosion re-sistance due to chromium depletion.