Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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- 7 Bauwerkssicherheit (12)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (8)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (8)
- 5.4 Multimateriale Fertigungsprozesse (7)
- 9 Komponentensicherheit (7)
- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (6)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (6)
- 6.1 Oberflächen- und Dünnschichtanalyse (5)
Eingeladener Vortrag
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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.
Powder bed technologies are amongst the most successful Additive Manufacturing (AM) techniques. The application of these techniques to most ceramics has been difficult so far, because of the challenges related to the deposition of homogeneous powder layers when using fine powders.
In this context, the "layerwise slurry deposition" (LSD) has been developed as a layer deposition method enabling the use of powder bed AM technologies also for advanced ceramic materials. The layerwise slurry deposition consists of the layer-by-layer deposition of a ceramic slurry by means of a doctor blade, in which the slurry is deposited and dried to achieve a highly packed powder. Not only very fine, submicron powders can be processed with low organics, but also the dense powder bed provides excellent support to the parts built. The LSD technology can be combined with binder jetting to develop the so-called “LSD-print” process. LSD-print combines the high-speed printing of binder jetting with the possibility of producing a variety of high-quality ceramics with properties comparable to traditional processing.
The latest development of this technology shows that it is possible to print ceramic parts in a continuous process by depositing a layer onto a rotating platform, growing a powder bed following a spiral motion. The unique mechanical stability of the layers in LSD-print allows to grow a powder bed several centimeters thick without any lateral support. The continuous layer deposition allows to achieve a productivity more than 10X higher compared to the linear deposition, approaching a build volume of 1 liter/hour.
The Laser-Induced Slip Casting is an additive manufacturing technology specifically developed for ceramic materials using water-based ceramic slurries. The process takes place layer-by-layer in a similar fashion as top-down vat photopolymerization, selectively consolidating each layer by means of a laser energy source positioned on the top. Contrary to vat photopolymerization, in which the consolidation is achieved by selectively cross-linking a ceramic-filled resin, LIS uses water-based slurries with a low amount of organic additives (typically < 5 wt%) as feedstocks.
In LIS, a green body is formed by local evaporation of water which causes the suspension to collapse forming a cast, following a mechanism similar to slip casting. Only a small content of organic additives is needed to effectively disperse the ceramic particles and to increase the green strength.
The technology is very versatile and can be applied to all ceramic systems that can be dispersed in water. One of the main advantages is that even dark materials such as silicon carbide can be processed without issues related to light scattering and absorption.
The presentation will discuss strengths and limitations of LIS compared to other AM technologies and will highlight the latest results for alumina and for silicon carbide ceramics.
MALDI TOF Massenspektrometrie wurde verwendet, um Kristallisationsprozesse in Polyestern (Polylactide, Polyglycolide) zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass Zyklen und Linearen simultan, aber in unterschiedlichen Kristalliten, kristallisieren. Die dabei ablaufenden Umesterungen (Transesterifizierungen) konnten mit der MALDI TOF Massenspektrometrie nachgewiesen werden. Damit wurde ein völlig neues Anwendungsgebiet dieser MS Methode demonstriert.
An Amorphous Lewis-acidic Zirconium Chlorofluoride as HF Shuttle: C-F Bond Activation and Formation
(2024)
In recent years, fluorine chemistry has gained increasing political attention. Owing to a growing shortage of fluorspar, a raw material used for producing fluorinated base chemicals, fluorospar has been named among the 30 critical raw materials in the EU.2 As such, it becomes increasingly important to recycle existing fluorinated compounds and make them available as sources of fluorine for reactions. Significant progress has been made in the field of C-F bond activation using heterogeneous catalysts such as aluminum chlorofluoride (ACF).3–5 However, the transfer of fluorine atoms from one molecule to another using heterogeneous catalysts has not yet been reported. In this study, we successfully synthesized amorphous zirconium chlorofluoride (ZCF), and we were able to establish a catalytic behavior of ZCF in C-F bond activation reactions. We present a heterogeneous catalyst that performs dehydrofluorination of a fluoroalkane and consecutive hydrofluorination of an alkyne at room temperature.
This study explores the acceleration of material design in the concrete industry, focusing on improving carbonation resistance, a key factor in the durability of concrete structures. Traditional tests for carbonation resistance are lengthy, but with the construction industry aiming for sustainable production, finding a balance between carbonation resistance and CO2 footprint is crucial. Our research employs two innovative methods: 1. Applying the Sequential Learning App for Materials Discovery (SLAMD), an AI materials design framework, to an extensive dataset of real-world concrete compositions to selectively test materials that meet market demands: maximum durability, optimal eco-durability, and the best cost-durability trade-off. 2. Investigating 1H Nuclear Magnetic Resonance (NMR) relaxometry as a quick alternative for characterizing carbonation behavior, as it saves time compared to traditional tests and assesses the complete material's pore space. Specific NMR features are then integrated into the material design model, with the model's performance compared against traditional approaches. The results of our study are compelling, demonstrating that materials can be precisely tailored to meet specific requirements with minimal data points. This marks a significant stride in the concrete industry, indicating that NMR-based, low-fidelity surrogate characterizations, combined with a focused, data-driven design approach, can substantially accelerate the development of durable, sustainable concrete mixtures.
This study aims to represent an approach for transferring the materials testing datasets to the digital schema that meets the prerequisites of the semantic web. As a use case, the tensile stress relaxation testing method was evaluated and the testing datasets for several copper alloys were prepared. The tensile stress relaxation testing ontology (TSRTO) was modeled following the test standard requirements and by utilizing the appropriate upper-level ontologies. Eventually, mapping the testing datasets into the knowledge graph and converting the data-mapped graphs to the machine-readable Resource Description Framework (RDF) schema led to the preparation of the digital version of testing data which can be efficiently queried on the web.
The heat-resistant cast iron EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S) was investigated for its fatigue crack growth behavior at room and high temperatures. Force-controlled tests were carried out at constant temperatures (20 °C, 500 °C, 700 °C) without and with hold time and different load ratios. The crack growth behavior was also characterized under TMF loading (Tmin = 400 °C, Tmax = 700 °C) by applying IP and OP conditions and different load ratios. Three different techniques were combined to monitor crack growth: potential drop, thermography, and compliance method. The effect of the different loading conditions on the fatigue crack growth behavior will be presented and discussed.
Ground Granulated Blast-Furnace Slag (GGBFS), a by-product of the iron-making process, has gained significant attention as a supplementary cementitious material and has become increasingly popular in recent years due to its remarkable properties. GGBFS can significantly reduce the environmental impact of cement production when it comes to building concrete structures. GGBFS can either be blended with ordinary Portland cement (OPC) (up to a 90% replacement), or it can be used in the production of alkali-activated materials (AAMs). However, a comprehensive understanding of the pore solution composition is necessary for understanding various aspects of cementitious materials and their durability, including corrosion behavior, passivation of steel, and resistance to deteriorative processes. In the present work, the pore solutions of seven different GGBFS-containing cements (alkali-activated slag, alkali-activated slag/fly ash blends, a hybrid alkaline cement, CEM III/C, and CEM III/B) were extracted and analysed by inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy, ion chromatography, pH, redox potential, and conductivity measurements. For comparison, a Portland cement pore solution was analysed similarly. The Concentrations of reduced sulfur were noteworthy in all GGBFS-containing cements, particularly in alkali-activated cements, where concentrations were notably higher compared to standard cements. The redox potentials of the pore solutions were primarily dictated by the concentrations of reduced sulfur, although other factors may contribute. Additionally, sulfur species in the pore solutions had an impact on pH, electrical conductivity, and other properties pertinent to the corrosion of reinforcements.
Es werden die Ergebnisse eines mehrjährigen Forschungsvorhabens der BAM in Zusammenarbeit mit Straßenbauverwaltungen der Länder und Industriebeteiligten zur betriebstechnischen Ausrüstung von Straßentunneln präsentiert. Schwerpunkte waren die Bestimmung der Korrosivität der Atmosphäre von 3 ausgewählten Straßentunneln, die Analyse korrosionsrelevanter Ablagerungen und von Klimadaten. Die Auswirkungen dieser Einflussgrößen auf die Dauerhaftigkeit von Konstruktionen aus nichtrostenden Stählen wurde ermittelt und in Abhängigkeit verschiedener Einflussparameter dargestellt. Die Ergebnisse der systematischen Untersuchungen an Prüfköpern decken sich mit Beobachtungen an realen Bauteilen. Spaltbehaftete Konstruktionen aus Werkstoffen der CRC III führen demnach in Zeiträumen zwischen 10 und 15 Jahren zu Korrosionserscheinungen, welche die technische Sicherheit beeinträchtigen können und die erwartete Dauerhaftigkeit nicht erfüllen. Die Folge sind zusätzliche Sperrungen und ein vorzeitig notwendiger Unterhaltsaufwand, die erhebliche Kosten verursachen. Im Ergebnis ist eine Überarbeitung des aktuellen Regelwerkes erforderlich, um die angestrebte Dauerhaftigkeit von 30 Jahren zu gewährleisten.
In this presentation, the results of the determination of the diffraction and single-crystal elastic constants of laser powder bed fused Inconel 718 are presented. The analysis is based on high-energy synchrotron diffraction experiments performed at the Deutsches Elektronen-Synchrotron. It is shown that the characteristic microstructure of laser powder bed fused Inconel 718 impacts the elastic anisotropy and therefore the diffraction and single-crystal elastic constants. Finally, the consequences on the diffraction-based residual stress determination of laser powder bed fused Inconel 718 are discussed.
Manipulating ceramic powder compacts and ceramic suspensions (slurries) within their volume with light requires a minimum transparency of the materials. Compared to polymers and metals, ceramic materials are unique as they offer a wide electronic band gap and thus a wide optical window of transparency. The optical window typically ranges from below 0.3 µm up to 5µm wavelength. Hence, to penetrate with light into the volume of a ceramic powder compound, its light scattering properties need to be investigated and tailored. In the present study we introduce the physical background and material development strategies to apply two-photon-polymerization (2PP), and other volumetric methods for the additive manufacture of filigree structures within the volume of ceramic slurries.
Bruchmechanik-basierende Methoden können für die Ermüdungsbewertung von mechanischen Bauteilen angewendet werden, die Defekte oder Risse enthalten und zyklischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Kenntnis des Risswachstumsverhaltens für kurze und lange Risse ermöglicht die Bestimmung sowohl endlicher als auch unendlicher Lebensdauer. Ein erstes Problem ergibt sich jedoch aus der empirischen Bestimmung von Ermüdungswerkstoffkennwerten, die je nach Prüfbedingungen, z. B. Prüfmethode, Frequenz und Spannungsverhältnis R, variieren. Dies ist auf die Rissschließeffekte und weitere Umgebungsphänomene zurückzuführen, die das Rissfortschrittsverhalten beeinflussen. Ein zweites Problem ist das Fehlen von Standardversuchsverfahren zur Bestimmung des Schwellenwerts gegen Ermüdungsrissausbreitung ΔKth in Abhängigkeit von der Rissausbreitung. Dies ist problematisch, da ΔKth mit der Zunahme der Rissschließeffekte im Kurzrissbereich zunimmt und seine ungenaue experimentelle Bestimmung zu großen Abweichungen bei der Bewertung und, was noch kritischer ist, zu nicht konservativen Vorhersagen führt. Mit dem Ziel, zuverlässigere und sicherere Bewertungsverfahren bereitzustellen, wird in dieser Arbeit eine Methode vorgeschlagen, die auf effektiven Risswachstumsdaten basiert, die bei hohen Spannungsverhältnissen (R ≈ 0,8) ermittelt wurden. Zur Beschreibung der Entwicklung der Rissschließeffekte wird ein Kurzrissmodell auf der Grundlage von zyklischen R-Kurven und CPLR-Daten verwendet. Die analytischen Vorhersagen werden mit experimentellen Daten verglichen, die zur Validierung des Verfahrens durchgeführt wurden, und die daraus entstandenen Unterschiede werden diskutiert.
Übersetzt mit DeepL.com (kostenlose Version)
Optical biosensors often show remarkable performance and can be configured in many ways for sensitive, selective, and rapid measurements. However, the high-quality and advanced optical assemblies required to read out the sensor signals, for example, Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) or Supercritical Angle Fluorescence (SAF) microscopy, which necessitate complex and expensive optical elements. Particularly in optical method development, researchers or developers are often confronted with limitations because conventional manufacturing processes for optical elements can be restrictive in terms of design, material, time, and cost. Modern and high-resolution 3D printing techniques make it possible to overcome these challenges and enable the fabrication of individualized and personalized free-form optical components, which can reduce costs and significantly shorten the prototyping timeline—from months to hours. In this work, we use a modern, high-resolution (< 22 µm) commercial Liquid Crystal Display (LCD)-based 3D printer, for which we spectroscopically and physically characterized commercial photo-resins printable with the LCD technique in the first step (Figure 1). The aim was not only to produce a printed element with a high surface quality that mitigates the inner filter effects caused by attenuation (high optical density (OD) due to reflection and scattering), but also to select a material with a high refractive index (RI>1.5) and high transmission values (>90% transmittance) in the visible to near-infrared spectral range (approx. 450 – 900 nm) that exhibits little or no autofluorescence. Using a selection of suitable resins, lenses and free-form optical elements were manufactured for comparison with standard glass or plastic counterparts.
Gas turbine components, made of nickel-based alloys, undergo material damage due to high temperatures and mechanical stresses. These components need periodic replacement to avoid efficiency loss and failure. Repair of these parts is more cost-effective than replacement. State-of-the-art repair technologies, including different additive manufacturing (AM) and brazing processes, are considered for efficient restoration. Materials properties mismatches and/or internal defects in repaired parts may expedite crack initiation and propagation, reducing fatigue life. To understand the crack growth behavior in joining zones and predict the remaining life of repaired components, fatigue crack growth (FCG) tests were conducted on specimens of nickel-based alloys joined via brazing, pre-sintered preforms and AM. The FCG experimental technique was successfully adapted for joined specimens and results indicate that the investigated braze material provides a lower resistance to crack growth. In AM-sandwich specimens, the crack growth rates are significantly reduced at the interface of AM and cast material.
Weltweit stellen Waldbrände eine große Bedrohung für Umwelt, Wirtschaft und menschliches Leben dar. Der fortschreitende Klimawandel verstärkt Trockenheit und Dürre, wodurch die Größe und Intensität von Waldbränden sowie das daraus resultierende Gefahrenpotential zusätzlich erhöht werden. Um im Risikofall eine schnelle und effektive Waldbrandbekämpfung zu gewährleisten, sollen Einsatzkräfte in Zukunft von KI-basierten Ausbreitungsmodellen unterstützt werden.
Der Einsatz von maschinellem Lernen ermöglicht dabei schnelle und zielgerichtete Ausbreitungsvorhersagen in Echtzeit, die in den Prozess der Brandbekämpfung als zusätzliche Information einfließen können. Im Rahmen des durch das EU-Förderprogram Horizon 2020 finanzierte Projekt TREEADS wird ein solches Modell für Europa entwickelt.
Dazu wird mit verschiedenen Satellitendaten des Copernicus-Programms und der NASA ein auf räumlicher und zeitlicher Ebene aufgelöster Datensatz zu europäischen Waldbränden aufgebaut. Zu den erfassten Waldbränden werden wichtigen Faktoren, die Einfluss auf die Brandausbreitung haben, ergänzt. Dazu gehören das von Copernicus bereitgestellte, digitale Geländemodell Europas und verschiedene, von Sentinel-2 Messungen abgeleitete Informationen zu Vegetation und Landnutzung. Dieser 2D-Trainingsdatensatz zu realen Waldbränden wird durch die zeitlich hochaufgelösten, meteorologischen Reanalyse-Produkte – Copernicus European Regional ReAnalysis (CERRA) und ERA5-Land – vervollständigt und ist die Grundlage für ein Modell zur Ausbreitungsvorhersage von Waldbränden.
Methoden des Maschinellen Lernens können komplexe Muster in den gesammelten Daten erkennen und so zu einer verbesserten Vorhersage der Brandausbreitung beitragen. Die vielfältigen, von Copernicus bereitgestellten Daten sind dabei ein unabdingbarer Bestandteil des Modells, mit dem den Einsatzkräften ein zusätzliches Tool für den effizienten Einsatz ihrer limitierten Ressourcen zur Verfügung steht.