Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Es wird eine Studie zur Charakterisierung eines anisotropen Stahls vorgestellt, bei der Ultraschalluntersuchungen mit Mikrostrukturanalysen verbunden werden. Das Material weist hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf, zugleich ist mit anisotropen Eigenschaften die mechanischen und betrieblichen Eigenschaften beeinflussen zu rechnen. Vorläufige Ergebnisse lassen vermuten, dass weitere Untersuchungen notwendig sind, um die Fähigkeiten und Grenzen des Materials genau zu bestimmen. Es wird ein systematischer Ansatz mit Array- Prüfköpfen, Time-of-Flight Diffraction (TOFD) Technik und mikrostrukturellen Untersuchungen angewendet, um die Wechselwirkung zwischen Anisotropie und Mikrostruktur des Stahls zu analysieren. Ultraschallprüfungen mit der TOFD-Technik und in Tauchtechnik liefern Einblicke in das anisotrope Verhalten des Werkstoffes, einschließlich entsprechenden Kornorientierung, Dämpfung und Schallgeschwindigkeitsvariation. Diese Messungen führen in Verbindung mit mikrostrukturellen Analysen zu einem tieferen Verständnis des Materialverhaltens. Unser Hauptziel ist es, ein Framework zu erstellen, welches die Ultraschallantwort anisotroper Materialien mit ihren mikroskopischen Struktureigenschaften verbindet. Die vorgestellte Methodik ermöglicht eine zerstörungsfreie und zügige Bewertung der Materialintegrität, was besonders bei der Anwendung von Hochleistungsmaterialien relevant ist. Durch diesen integrativen Ansatz werden verschiedener Charakterisierungsmethoden kombiniert, um ein umfassenderes Materialverständnis zu erreichen.
Mit der zunehmenden Relevanz der additiven Fertigung in Fertigungsbereiche mit hohen Anforderungen an Bauteilqualität, wird eine gute Prozessüberwachung unausweichlich. Eine Methode, die bereits gute Korrelation mit Bauteilfehlern gezeigt hat, ist die Temperaturüberwachung mithilfe von thermografischen Methoden. Allerdings unterliegt die Bestimmung der Realtemperaturen vielen unterschiedlichen Problemen. Ein Ansatz mit den Herausforderungen umzugehen, stellt der multispektrale Ansatz dar, der im Projekt QT-LPA untersucht und hier vorgestellt wird.
Bei der Versorgung von Zähnen mit dentalen Kronenrestaurationen entsteht ein Kronen-Zement-Zahn-Komplex (KZZK). Dentale Werkstoffe überzeugen mit besten Materialeigenschaften, aber wie funktionieren sie im Verbund? Unsere zentrale Annahme lautet, dass die Alterung des KZZK eine zentrale Rolle bei Misserfolgen spielt. Präsentiert werden die Methodik und Bilder der ersten Arbeitsphase.
In der automatisierten Ultraschallprüfung von Komponenten mit komplexen Oberflächengeometrien werden zur Führung des Prüfkopfes zunehmend 6-Achsen-Roboter erprobt. Diese stellen die notwendige Automatisierbarkeit und Flexibilität bereit, um die lokal senkrechte Einschallung sicherzustellen. Durch den Einsatz von linearen Arrays und bildgebenden Verfahren können die Bilder oder die daraus extrahierten Merkmale zu einer Rekonstruktion in 3D zusammengesetzt werden. Die Anforderungen an die Prüfbahnen für die bildgebende Array-Ultraschallprüfung gehen dabei über konventionellen Bahnplanungsprogramme hinaus. Es wird ein Prozess vorgestellt, der Roboterbahnen auf der Grundlage des 3D-Modells von Körpern mit doppelt gekrümmter Oberfläche unter Berücksichtigung der Prüfparameter erzeugt. Hierbei wird zum einen die senkrechte Prüfkopfstellung und zum anderen eine optimale Abdeckung der Oberfläche realisiert. Dabei wird die lokale Oberflächengeometrie beachtet, da diese das Reflexionsverhalten beeinflusst und sich daher auf die optimale Verteilung und Orientierung der Prüfpositionen auswirkt. Damit einhergehend erfolgt eine Ablösung von konventionellen Konzepten, die auf linearen Prüfbahnen basieren, welches spannende neue Prüfstrategien eröffnet.
Metallbasierte additive Fertigungsverfahren werden zunehmend industriell zur Anfertigung von komplex geformten Komponenten eingesetzt. In diesem Zusammenhang ist das Laser-Pulverbettschweißen von Metall (PBF-LB/M) ist ein weitläufig genutztes Verfahren. Im PBF-LB/M-Prozess werden lagenweise aufgetragene Metallpulverschichten selektiv mittels eines Lasers aufgeschmolzen. Die Entstehung von internen Fehlstellen (bspw. Porosität, Lunker oder Risse) während des Fertigungsvorgangs stellt ein ernstzunehmendes Risiko für die Bauteilsicherheit und somit für die weitere industrielle Etablierung des Verfahrens dar. Die Entstehung von Fehlstellen hängt eng mit lokalen Änderungen der thermischen Historie des Bauteils zusammen. Mit Hilfe von thermografischen Kameras zur Prozessüberwachung kann die thermische Historie bereits während der Fertigung erfasst werden. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, die Entstehung von Fehlstellen anhand der thermografischen Daten vorherzusagen und somit potenziell Kosten für eine nachgelagerte Qualitätssicherung einzusparen.
In diesem Beitrag soll die Modellierung der Fehlstellenvorhersage anhand thermografischer Prozessdaten diskutiert werden. Hierbei liegt ein Schwerpunkt auf der Fragestellung, mit welcher Genauigkeit unterschiedliche Formen von Fehlstellen, im speziellen Anbindungsfehler und Keyhole-Porosität, auf lokaler Bauteilebene vorhergesagt werden können. Weiterhin werden verschiedenen Modelltypen aus dem Bereich des Maschinellen Lernens auf ihre Eignung für die Fehlstellenvorhersage verglichen. Ein weiterer zentraler Aspekt in diesem Zusammenhang ist die Untersuchung der Eingangsdaten des Modells auf ihre Relevanz für das Vorhersageergebnis.
Als Datengrundlage für die durchgeführten Untersuchungen dienen die Fertigungsprozesse von zwei identischen Haynes-282-Bauteilen (Nickel-Basislegierung), welche mit Hilfe einer im kurzwelligen Infrarotbereich arbeitenden Thermografiekamera überwacht wurden. Das Bauteildesign umfasste lokale Bereiche, in denen mit Hilfe einer Parametervariation die Entstehung von Fehlstellen forciert wurde. Um die Position und Größe der entstandenen Defekte zu quantifizieren, wurden beide Bauteile nach erfolgter Fertigung mittels Computertomografie (CT) geprüft. Im Rahmen der Datenvorbereitung für die Modellierung erfolgte eine Reduzierung der erhobenen Thermogramme zu physikalisch-interpretierbaren Merkmalen (bspw. Schmelzbadfläche oder Zeit-über-Schwellwert). Weiterhin erfolgte eine Registrierung der thermografischen Daten mit den Fehlstellen-Referenzdaten der CT, um eine exakte örtliche Überlagerung von thermischer Information und lokalem Fehlstellenbild zu erzielen. Zur Ermöglichung einer lokalen Fehlstellenvorhersage wurden die thermografischen Daten schichtweise in kleinteiligen Volumina angeordnet, welche als Eingangsgröße für die genutzten ML-Algorithmen dienten.
Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass sich die Porosität auf Bauteilschichtebene mit einer hohen Genauigkeit vorhersagen lässt. Eine Vorhersage der Porosität auf lokaler Bauteilebene erweist sich noch als herausfordernd. Die erprobten ML-Algorithmen zeigen vergleichbare Ergebnisse, obwohl ihnen unterschiedliche Modellierungsannahmen zugrunde liegen und sie variierende Komplexität aufweisen. Mit Hilfe der erzielten Erkenntnisse eröffnet sich die Möglichkeit, Rückschlüsse auf die gewählte Prozessüberwachungshardware und Datenvorverarbeitung zu ziehen und somit langfristig die Leistungsfähigkeit von Modellen zur Fehlstellenvorhersage zu verbessern.
Die metallische additive Fertigung hat in den letzten Jahren in der industriellen Fertigung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hierbei dominiert das Laser-Pulverbettschweißen von Metallen (PBF/LB-M) die Fertigung von kleinformatigen Bauteilen mit hoher Oberflächengüte. Die anspruchsvolle und kostspielige Qualitätssicherung stellt aber weiterhin ein Hindernis für eine breitere und kostengünstigere Anwendung der additiven Fertigung dar. Dies resultiert teilweise aus fehlenden zuverlässigen In-situ-Monitoringsystemen. Belastbarere Prozessüberwachungsdaten würden eine oft erforderliche teure nachgelagerte Prüfung mittels Computertomografie entbehrlich machen. Die Aufzeichnung der thermischen Signaturen des Aufbauprozess mittels Thermografie-Kameras zeigen hier vielversprechende Ergebnisse. Eine Korrelation zu auftretender Porosität, Delaminationen und Deformationen scheinen möglich. Die geringe räumliche Auflösung und die hohen Anschaffungskosten für thermografische Kamerasysteme stehen jedoch einer größeren industriellen Nutzung im Wege.
Ein bereits industriell angewendeter Ansatz zur in-Situ Überwachung des PBF-LB/M Prozesses ist die Optische Tomografie (OT). Hierbei wird die emittierte Prozessstrahlung jeder Bauteilschicht mittels einer hochauflösenden günstigen Kamera für den sichtbaren Wellenlängenbereich in einer Langzeitbelichtung dokumentiert. Die zeitliche Information der emittierten Strahlung geht hierbei verloren. Der gesamte Bauprozess kann jedoch in einem vergleichsweise kleinen Datensatz dokumentiert werden (ein Bild pro Schicht). Eine direkte Korrelation zu auftretenden Defekten gestaltet sich aufgrund der reduzierten thermischen Informationsdichte jedoch schwierig.
In diesem Beitrag soll deshalb das Prinzip der Multispektralen Optischen Tomografie (MOT) vorgestellt und erste Messergebnisse an der Forschungsanlage SAMMIE diskutiert werden. Bei der MOT handelt es sich um eine Übertragung des Prinzips der Quotientenpyrometrie auf das etablierte Verfahren der Optischen Tomografie. Die auftretende Prozessstrahlung wird in mehreren Wellenlängenbereichen ortsaufgelöst über die gesamte Bauplattform erfasst und zeitlich in einer Langzeitbelichtung integriert. Hierbei kommen günstige Kamerasysteme für den sichtbaren Wellenlängenbereich zum Einsatz.
Das erfasste Signal I jedes Bildpixels für jeden separat erfassten Wellenlängenbereich kann als Maß für das zeitliche Integral der spezifischen Ausstrahlung M des Schmelzbades in diesem Wellenlängenbereich gesehen werden. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz hängt die abgestrahlte thermische Leistung P eines idealen Schwarzen Körpers in der vierten Potenz von dessen absoluten Temperatur T ab. Wird nur, wie z.B. bei der klassischen OT angewendet, der nahinfrarote Wellenlängenbereich betrachtet, lässt sich mit dem Planck’schen Strahlungsgesetz sogar eine Proportionalität zur siebten Potenz der Temperatur zeigen. Deshalb liegt ein starker Einfluss der maximal auftretenden Oberflächentemperatur Tmax auf das erfasste Messsignal vor.
Das erfasste Signal I wird aber auch durch die spektrale Transmission τ der verwendeten optischen Komponenten des Kamera-Setups, z.B. Filter und Objektive, durch die spektrale Sensitivität S der verwendeten Kamera-Sensoren und den nur sehr schwer zu bestimmenden Emissionsgrad ε der emittierenden (flüssigen) Oberfläche beeinflusst.
In einer ersten Näherung wird das Schmelzbad hier als Graukörper, also ein Körper mit wellenlängenunabhängigem Emissionsgrad ε, betrachtet. Basierend auf dieser Annahme und vermessenen optischen Eigenschaften des verwendeten Systems ist es möglich, eine erste Schätzung der maximalen Oberflächentemperatur Tmax vorzunehmen, selbst ohne genaue Kenntnis des tatsächlichen Emissionsgrades ε. Dies wird durch die Anwendung des Planck‘schen Strahlungsgesetzes und die Quotienten Bildung aus den einzelnen erfassten Signalen I ermöglicht.
Auch bei diesem Verfahren geht die zeitliche Information einer Schicht, also das Aufwärm- und Abkühlverhalten des Schmelzbades, verloren. Zudem sind die Messergebnisse in Hinblick auf tatsächlich gemessene „maximal auftretende Oberflächentemperatur“ mit gebotener Zurückhaltung zu interpretieren. Trotzdem konnten erste Ergebnisse bereits zeigen, dass die MOT-Daten auch in Bereichen mit Doppelbelichtungen (das teilweise notwendige mehrfache Scannen eines Bereiches mittels des Fertigungslasers) im Gegensatz zur klassischen OT erwartbare Maximaltemperaturen liefern. Abbildung 1 zeigt das erfasste Messergebnis für drei aufeinanderfolgende Schichten eines Bauteils einmal mit MOT (links) und einmal mit einfacher OT (rechts). Deutlich zu erkennen ist das durch die doppelte Belichtung hohe Signal bei der OT. Die Daten der MOT zeigen hier keine erhöhten Werte.
Um die ermittelten Temperaturwerte mittels MOT besser einordnen zu können, sind u.a. vergleichende Messungen an Referenzmaterialien geplant. Um die Auswertung der gemessenen Daten zu verbessern, wird zudem der Zeitverlauf des Abkühlens und Aufheizens des Schmelzbades sowie die Einflüsse von Prozessbeiprodukten wie Schmauch und Spritzer näher untersucht. Auch werden Messungen zum Emissionsgrad ε an additiv gefertigten Proben und Metallschmelzen vorgenommen.
Im additiven Fertigungsprozess Laser-Pulverbettschweißen wird Metallpulver lagenweise mittels eines Lasers aufgeschmolzen, um Bauteile zu generieren. Hierbei werden die Eigenschaften der Bauteile zu einem großen Teil durch die im Verlauf des Prozesses vorliegenden Temperaturen bestimmt. Dies beinhaltet unter anderem Materialeigenschaften wie Mikrostruktur, Härte, thermische und elektrische Leitfähigkeiten sowie die Ausbildung von Defekten wie z.B. Anbindungsfehler, Keyhole-Porosität (Gaseinschlüsse) oder auch die Ausbildung von Rissen. Zur Überwachung bzw. Vorhersage dieser Eigenschaften sowie zum Abgleich von Simulationen ist eine orts- und zeitaufgelöste Messung der Temperaturverteilung im Prozess daher von herausragender Bedeutung. In der Industrie kommen optische Verfahren, die auf der Messung der thermischen Strahlung basieren, regelmäßig zum Einsatz. Allerdings dienen diese bislang nur der statistischen Auswertung und der Identifikation von Abweichungen vom Normalprozess. Der quantitativen Auswertung zur Temperaturbestimmung stehen aktuell noch eine Vielzahl von Herausforderungen entgegen. Einerseits stellt der Prozess an sich hohe Anforderungen an die Datenerfassung und -auswertung: der Emissionsgrad verändert sich dynamisch im Prozess und lokale Schmauchbildung sorgt für potenzielle Absorption oder Streuung der thermischen Strahlung oder auch des Fertigungslasers. Weiterhin stellt der hochdynamische Prozess hohe Anforderungen an Orts- und Zeitauflösung der eingesetzten Sensorik (z.B. Kameratechnik). Andererseits erschweren an üblichen kommerziell erhältlichen Fertigungsanlagen praktische Hindernisse wie eine eingeschränkte optische Zugänglichkeit und der fehlende Zugriff auf die Anlagensteuerung sowie fehlende Möglichkeiten der Synchronisation der Messtechnik mit dem Prozess eine eingehende Untersuchung dieser Effekte.
Um letztere Hindernisse zu umgehen, wurde an der BAM die Forschungsanlage SAMMIE (sensor-based additive manufacturing machine) entwickelt. Einerseits bietet das System alle Möglichkeiten, die auch übliche kommerzielle Systeme bieten. Dies beinhaltet die Fertigung ganzer Bauteile (maximale Größe ca. 65mm x 45 mm x 30 mm) und den Einsatz einer Inertgasatmosphäre inkl. gefiltertem Schutzgasstrom. Andererseits bietet es aber auch einen besonders kompakten Bauraum, um die Sensorik möglichst nah an den Prozess führen zu können, sechs optische Fenster zur Prozessbeobachtung aus unterschiedlichen Winkeln und die Möglichkeit der Prozessbeobachtung koaxial zum Fertigungslaser. Des Weiteren besteht eine einfache Austauschbarkeit aller Fenster, Spiegel und Strahlteiler, um den gesamten optischen Pfad der aktuellen Messaufgabe flexibel anzupassen. Die komplette Anlagensteuerung ist eine Eigenentwicklung und bietet daher auch völlige Anpassbarkeit. Eine synchrone und frei konfigurierbare Triggerung diverser Sensoriken und synchrone Datenerfassung bieten maximale Kontrolle über die Sensorsteuerung.
Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Fertigungsanlage SAMMIE. Wissenschaftliche Ergebnisse sowie laufende Arbeiten an der Anlage werden in weiteren Beiträgen vorgestellt.
Es wird eine Studie zur Charakterisierung eines anisotropen Stahls vorgestellt, bei der Ultraschalluntersuchungen mit Mikrostrukturanalysen verbunden werden. Das Material weist hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf, zugleich ist mit anisotropen Eigenschaften die mechanischen und betrieblichen Eigenschaften beeinflussen zu rechnen. Vorläufige Ergebnisse lassen vermuten, dass weitere Untersuchungen notwendig sind, um die Fähigkeiten und Grenzen des Materials genau zu bestimmen. Es wird ein systematischer Ansatz mit Array- Prüfköpfen, Time-of-Flight Diffraction (TOFD) Technik und mikrostrukturellen Untersuchungen angewendet, um die Wechselwirkung zwischen Anisotropie und Mikrostruktur des Stahls zu analysieren. Ultraschallprüfungen mit der TOFD-Technik und in Tauchtechnik liefern Einblicke in das anisotrope Verhalten des Werkstoffes, einschließlich entsprechenden Kornorientierung, Dämpfung und Schallgeschwindigkeitsvariation. Diese Messungen führen in Verbindung mit mikrostrukturellen Analysen zu einem tieferen Verständnis des Materialverhaltens. Unser Hauptziel ist es, ein Framework zu erstellen, welches die Ultraschallantwort anisotroper Materialien mit ihren mikroskopischen Struktureigenschaften verbindet. Die vorgestellte Methodik ermöglicht eine zerstörungsfreie und zügige Bewertung der Materialintegrität, was besonders bei der Anwendung von Hochleistungsmaterialien relevant ist. Durch diesen integrativen Ansatz werden verschiedener Charakterisierungsmethoden kombiniert, um ein umfassenderes Materialverständnis zu erreichen.
Amorphous materials play an important role in C-F bond activation but face the difficulty of limited available structural information by methods such as powder XRD and solid-state MAS NMR spectroscopy especially if the nucleus is not abundant enough. Here, we present heterogeneous catalysts, active in C-F bond activation, where EXAFS allowed specifically elucidating the local structure, which would have not been possible elsewise.
Explosionsverletzungen gehören zu den häufigsten Verletzungen bei militärischen Einsätzen. Während die Auswirkungen von Splittern, die als sekundäre Explosionsverletzungen eingestuft werden, durch die modernen ballistischen Körperschutzsysteme der Polizei und des Militärs minimiert werden konnten, stellen die Auswirkungen der Stoßwellenausbreitung im Körper als Teil des primären Explosionstraumas nach wie vor eine ernsthafte Bedrohung dar. Zusätzlich zu einzelnen einsatzbedingten Lastfällen liegt ein wissenschaftlicher Fokus auf besonders exponiertem Personal, z.B. aus den Einsatzbereichen „Taktische Zugangstechnik“, „Präzisionsschützenwesen“ oder Steilfeuerwaffen (Mörser). Repetitive mild traumatic brain injury (mTBI) können gesundheitliche Langzeitschädigungen wie und chronic traumatic encephalopathy (CTE) erzeugen.
Um einen Beitrag zur Erforschung der primären Explosionswirkungen zu leisten, hat die Bundeswehr in Zusammenarbeit mit dem Bundeswehrkrankenhaus Berlin und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ein interdisziplinäres wehrmedizinisches Sonderforschungsvorhaben eingerichtet. Ziel der geplanten Untersuchung ist die Entwicklung einer multidisziplinären Methode zur Analyse des Stoßwellenverhaltens in verschiedenen generischen Gewebesimulanzien, sowie Schutzmaterialien unter möglichst realitätsnahen und reproduzierbaren Bedingungen.
Für die Erzeugung reproduzierbarer Stoßwellen wurde ein Autoklav
(Druckbehälter) entwickelt, mit dem durch die detonative Umsetzung eines Acetylen-Sauerstoff-Gemisches gut reproduzierbare Druckwellen unter Freifeldbedingungen erzeugt werden können. Vorteile dieser Methode sind unter anderem die kurzen Rüstzeiten zwischen Versuchsdurchgängen, die Minimierung störender Einflüsse im Vergleich zu Stoßwellenrohren und die geringeren Sicherheitsanforderungen im Vergleich zur Anwendung von konventionellen Sprengstoffen. Das generische Torso-Modell besteht in seiner einfachsten Form aus einem mit Druck- und Beschleunigungssensoren instrumentierten Gelatineblock, welcher eine Simulanz für organisches Gewebe darstellt. Zur Untersuchung des Stoßwellenverhaltens wurden verschiedene Medien, wie Hohlkörper, Festkörper und Gewebesimulanzien differenter Dichte in das generische Torso-Modell eingebracht. Einen besonderer Untersuchungsschwerpunkt bildeten die Grenzbereiche zwischen den unterschiedlichen Medien. Des Weiteren wurde analysiert, wie sich verschiedene Schutzmaterialien auf das Stoßwellenverhalten auswirken und mit welchen veränderten Eigenschaften die Stoßwelle anschließend in die Gewebesimulanz einkoppelt.