Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
To address the challenges of the climate crisis, multiple solutions for sustainable energy sources and storage systems are needed. One such solution is lithium-ion batteries (LIBs). Currently, 5 to 30 % of LIBs are discarded immediately after manufacturing. The homogeneous distribution of all materials used in the coating of cathodes and anodes is critical for the quality of LIBs. Furthermore, during formation i.e., the first steps of the charge/discharge cycling, the solid-electrolyte interphase forms on the anode particles, which has a huge impact on the performance. The same happens to some extent on the cathode, forming the cathode-electrolyte interphase. Fluorinated polymers and electrolytes are used in the manufacturing of LIBs. The electrolyte in particular is prone to degradation during formation and aging of the batteries. The interface of the cathode material with the aluminum current collector is also a critical point where degraded fluorine components cause pitting corrosion and at the same time promote passivation of the metal foil. Monitoring the spatial distribution of fluorine on these surfaces and interfaces is essential for sustainable LIB production.
Die Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus der Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien wird im Zuge der digitalen Transformation in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie in verschiedenen Projekten behandelt. Dabei liegt der Fokus auf der Interoperabilität von Daten und Anwendungen, die nach den FAIR-Prinzipien erstellt und veröffentlicht werden. Zur Umsetzung eines komplexen Datenmanagements und der Digitalisierung im Bereich der Materialwissenschaften gewinnen Ontologien zunehmend an Bedeutung. Sie ermöglichen sowohl menschenlesbare als auch maschinenverständliche und -interpretierbare Wissensrepräsentationen durch semantische Konzeptualisierungen.
Im Rahmen des Projektes Plattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de), welches in dieser Präsentation vorgestellt wird, werden Ontologien verschiedener Ebenen entwickelt (verbindende mid-level sowie Domänen-Ontologien). Die PMD-Kernontologie (PMD Core Ontology - PMDco) ist eine Ontologie der mittleren Ebene, die Verbindungen zwischen spezifischeren MSE-Anwendungsontologien und domänenneutralen Konzepten herstellt, die in bereits etablierten Ontologien höherer Ebenen (top-level Ontology) verwendet werden. Sie stellt somit einen umfassenden Satz von durch Konsensbildung in der Gemeinschaft (geteiltes Vokabular) entstanden Bausteinen grundlegender Konzepte aus der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (MSE) dar. In dieser Präsentation wird die PMDco adressiert.
Weiterhin wird eine auf die PMDco bezogene normenkonforme ontologische Repräsentation zur Speicherung und Weiterverarbeitung von Zugversuchsdaten – die Tensile Test Ontology (TTO) – präsentiert, die in enger Zusammenarbeit mit dem zugehörigen DIN-Standardisierungsgremium NA 062-01-42 AA erstellt wurde. Dies umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verbindung von Ontologie und Daten. Auf Grundlage der dabei entwickelten Struktur und Vorgehensweise können weitere Materialcharakterisierungsmethoden semantisch beschrieben werden, woraus sich in diesem Zusammenhang Kooperationsmöglichkeiten ergeben.
Morphological and chemical analysis of mesoporous mixed IrOx-TiOy thin films as electrode materials
(2024)
Porous films play an important role particularly in energy applications like photovoltaics, electrolysis or batteries. Thin film properties such as thickness, chemical composition, crystallinity of the framework, and porosity define the activity of the porous films. The accurate morpho-chemical characterisation of mesoporous thin films is a challenging analytical task which requires the consideration of new analytical approaches based on the combination of data of different methods able to address the structure and chemical composition at the nanoscale. In this contribution we characterise thin mesoporous iridium-titanium mixed oxide film properties by Electron Probe Microanalysis (EPMA) with Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) at an SEM applied in a dedicated “thin film analysis” approach (1). Thus, the film mass deposition, film thickness and the film density can be determined. Further, by dividing the measured film density to an assumed (theoretical) metal oxide framework (skeletal) density, the thin film porosity can be extracted, too.
In order to assess the homogeneity of the thin film properties like the chemical composition, Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) and Auger Electron Spectrometry are applied in the depth profiling mode, so that possible in-depth gradients are detected. Lateral inhomogeneities in the chemical composition and structure of the thin mesoporous films are also identified by applying the same methods in the line-scan or mapping mode, which can be further combined with in-depth sputtering for 3D information. The role of the spatial resolution of the analytical methods considered, which can go down well below 100 nm, will be highlighted.
Traceable morphological and chemical characterization of nanomaterials with respect to the various possible sizes, size distributions, shapes, and concentrations of real-world nanoparticles (NPs) is a challenging task. Particularly for the nonspherical, non-monodisperse nanoparticles – as typically for most of the commercial particles, including their strong tendency to agglomerate, there is a lack of standard operation procedures providing accurate nanoparticle characterisation.
In the framework of the pre-standardisation framework of VAMAS (Versailles Project on Advanced Materials and Standards, www.vamas.org) two interlaboratory comparison (ILC) studies are being carried out under the Technical Working Area (TWA) 34 “Nanoparticle Populations”:i) Project #15 addresses the analysis of the size and shape distribution of TiO2 bipyramidal NPs by traceable imaging methods such as TEM, SEM, STEM-in-SEM, AFM as well as with SAXS as an ensemble method. This ILC is thought as the next level development of the case studies exemplified in the published ISO standards ISO 21363 and ISO 19749. It was agreed to complete the first ILC with the NPs already prepared according to the same procedure on a TEM grid, and, at a later stage, to carry out second ILCs with the same NPs distributed to the participants as liquid suspensions together with protocols for the uniform NP deposition on suited substrates - as developed and optimized within the European project nPSize. Once having good deposition protocols available, the door for automated image analysis gets opened. Corresponding image analysis protocols and reporting templates have been distributed to the ILC participants, too.
ii) Project #16: two spherical SiO2 NP samples with bi-modal size distributions in two nominal relative number concentrations were prepared and distributed also as liquid suspensions accompanied by sample preparation, measurement, and image analysis protocols and reporting templates. Here, the NP concentration is the primary parameter to be measured. For the imaging methods it is targeted to
measure the relative nanoparticle concentrations (relative populations of the two modes).
The results of all the participating laboratories, in both ILCs, compiled in comparative representations will be shown and discussed for the first time. The reduction of the measurement uncertainties associated to the size, shape and number-concentration results induced by the significant improvement of the sample preparation on substrates (as single particles with a high-density coverage), combined with welldefined image analysis procedures will be highlighted.
Die additive Fertigung von Metallen hat inzwischen einen Reifegrad erreicht, der einen Einsatz in vielen Industriezweigen ermöglicht oder in greifbare Nähe rückt. Die Vorteile liegen vor allem in der Möglichkeit der Fertigung komplexer Bauteile, die sich konventionell nicht oder nur sehr aufwändig produzieren lassen, sowie in der Fertigung von hochindividualisierten Bauteilen in kleinen Stückzahlen. Allerdings ist der additive Fertigungsprozess hoch komplex und fehleranfällig. Um eine insbesondere für sicherheitsrelevante Bauteile notwendige Qualitätskontrolle zu gewährleisten, ist aktuell aufwändige nachgelagerte ZfP der einzelnen Bauteile notwendig. Alternativen könnten die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung bieten, die aktuell aber noch keinen ausreichenden Entwicklungsstand erreicht haben. Industrielle Fertigungsanlagen bieten keine oder nur geringe Flexibilität und Zugänglichkeit, um umfangreiche Untersuchungen auf diesem Gebiet zu ermöglichen. Daher haben wir an der BAM ein System für den Prozess des selektiven Laserschmelzens (PBF-LB/M) entwickelt, genannt SAMMIE. Es bietet eine komplett offene Systemarchitektur mit voller Kontrolle über den Prozess und flexiblem Zugang zur Baukammer, z.B. optisch sowohl direkt als auch koaxial zum Fertigungslaser. In diesem Beitrag stellen wir das System vor und zeigen erste experimentelle Ergebnisse der In-situ-Überwachung und -prüfung: Thermografische Schmelzbadüberwachung, optische Tomografie und In-situ-Laserthermografie. SAMMIE ermöglicht uns grundlegende Untersuchungen, die helfen werden, die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung weiterzuentwickeln, neue Erkenntnisse über die additive Fertigung zu gewinnen und die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Prozesses zu verbessern.
This paper explores combining a gimbal-mounted tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) sensor and a video camera to create a virtual gas camera for methane leak detection. This provides a low-to-zero-cost extension of typical TDLAS gas tomography systems. A prototype setup mounted on a ground robot is evaluated. Results acquired using a simulated methane leak show the feasibility of the virtual gas camera, accurately detecting methane leaks by overlaying concentrations onto a visual image. While the acquisition time is significantly longer than for traditional gas cameras, potential enhancements are discussed. The study concludes that the virtual gas camera is feasible and useful, despite its longer acquisition time. It serves as a valuable software-only addition to typical TDLAS gas tomography systems, offering quickly-available on-site data augmentation for visual leak assessment at low-to-zero cost.
This contributions shows the first results of the ongoing interlaboratory comparisons under VAMAS/TWA 34 Nanoparticle populations related on the determination of pasrticle size distribution and relative concentration of nanoparticles and an example of an ILC running under VAMAS/TWA 41 Graphene and Related 2D Materials on the determination of the lateral diemsnions of graphene oxide flakes by Scanning Electron Microscopy. The link to related standardisation projects at ISO/TC Nanotechnologies are explained.
Advanced materials, such as nanomaterials, 2D materials, or thin films, play a crucial role in driving economic development and addressing major challenges in the coming years. These challenges include mitigating the impact of climate change, advancing lightweight engineering, enhancing catalysis, and improving medical applications.
To comprehend the performance of these materials and ensure their acceptance across various sectors as safe and sustainable for both humans and the environment, the availability of reference procedures, materials, and data is essential. One versatile tool for establishing such references and evaluating the proficiency of individual laboratories and their competencies is through (international) interlaboratory comparisons (ILC). Notably, initiatives like the Versailles Project on Advanced Materials and Standards (VAMAS) provide a platform for conducting ILCs.
This webinar will showcase various examples of interlaboratory comparisons, illustrating their impact on the development of reference products.
The presentation includes aspects of material design and characterization with a focus on lignin. Examples are the structural elucidation of lignosulfonates by means of two-dimensional chromatography, the mechanochemical degradation and functionalization of Kraft-Lignin with accompanying analytics. Future projects involving the incorporation of lignin into polymers will be presented.