Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Dieses Dokument fasst den Projekfortschritt des BAM-Projektes "Ermittlung geeigneter Wärmeführungen zur Wasserstoffreduktion beim Schweißen höherfester Feinkornbaustähle mit modifiziertem Sprühlichtbogen" im Rahmen des Fachausschusses 1 "Schweißmetallurgie & Werkstoffverhalten" des DVS e. V. zusammen.
The presentation focuses on the current state of the optical spectroscopic studies on plasmon enhanced upconversion luminescent processes of silica-metal core-shell nanocomposites. A general introduction of the upconversion process, the theoretical basis of plasmonic enhancement, the theoretical requirements in regard to NP architecture for plasmon enhanced UC will be outlined. The first proof-of-concept measurements show the difficulty in realization the theoretical measurement parameters in laboratory conditions and underline the need for shifting the experiments to single particle level.“
Im Rahmen eines BMWi Projekts der Fa. Innovent Jena, bei dem ein neuartiger optischer Sensor zur Bewertung der Oberflächenqualität und Reinheit von optischen Gläsern im Fokus stand, wurden die abbildende Ellipsometrie, die IR-Mikroskopie und die Weißlichtinterferenzmikroskopie als Referenzverfahren herangezogen. Mittels Brewster-Winkelmessungen konnten „Wolkenstrukturen“ identifiziert werden, die bei nachfolgenden Beschichtungsprozessen zu Schichtdefekten führen können. Außerdem wurden mittels Ellipsometrie Änderungen im Brechungsindex der Floatgläser (Luft- bzw. Zinnseite) nachgewiesen. Topographie Oberflächenmerkmale wie Welligkeit, Rauheit und Kreuzrillen konnten mittels Weißlichtinterferenzmikroskopie bzw. abbildender Ellipsometrie identifiziert werden.
The increased application of higher-strength steels and filler materials necessitates a more profound understanding of the interactions between the welding process, the heat input, the cooling conditions and the resulting metallurgical processes in the weid and its surroundings. Strategies, which help to improve the strength properties and life-time of welded stmctures to such an extent that the utilisation of higher-strength materials can be justified and their lightweight construction potential can thus be exploited to the füll, can only be derived from the interaction between all the influencing factors. Examples of a few investigations on welded joints between higher-strength fine-grained structural steels with regard to the interactions between the main variables influencing the cold cracking are presented in this article.
Der zunehmende Bedarf an hochfesten Feinkornbaustählen in modernen Schweißkonstruktionen, in einer deutlich wachsenden Anzahl von Branchen wie dem Hoch-, Anlagen- und Kranbau, führte in den letzten Jahren zur Entwicklung zahlreicher Grund- und Zusatzwerkstoffe. Neben der Erreichung anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften wird die wirtschaftliche Verarbeitung dieser Güten durch hohe Sicherheitsanforderungen an die Schweißnaht bestimmt. Hohe Zugeigenspannungen in der Schweißverbindung können die Beanspruchbarkeit und Sicherheit eines geschweißten Bauteils wesentlich reduzieren. Insbesondere bei einer hohen konstruktiven Schrumpfbehinderung können die Beanspruchungen auch schon während der Fertigung ein risskritisches Niveau erreichen.
Mittels geeigneten Wärmeführungen beim Schweißen und der adäquaten Auswahl von Schweißprozess und Zusatzwerkstoffen ist sowohl eine Minimierung der sich lokal in der Naht bildenden Zugeigenspannungen als auch der globalen infolge von Abstützeffekten auftretenden Reaktionsspannungen und -momente erzielbar. Im Rahmen zweier AiF-Forschungsvorhaben IGF.-Nr. 17267 N und 17978 N wurden verschiedene experimentelle Beanspruchungsanalysen durchgeführt, um den Schweißprozess hinsichtlich der resultierenden schweißbedingten Beanspruchungen zu untersuchen. Hierfür war es erforderlich, die Steifigkeitsverhältnisse so wie sie beim Schweißen realer Bauteilstrukturen auftreten, auf Schweißexperimente im Labor zu übertragen.
Dazu wurde bspw. eine an der BAM eigens entwickelte Prüfanlage eingesetzt, mit der die mehraxialen Belastungen analysiert wurden, die mit bis zu 2 MN beim Vorwärmen, Schweißen und Abkühlen auftreten. Die Schweißeigenspannungen wurden mittels Röntgendiffraktometrie bestimmt. Zwar zeigten sich für niedrige Arbeitstemperaturen beim Schweißen ein signifikant reduziertes Gesamtbeanspruchungsniveau nach der Abkühlung der gesamten Schweißnaht. Die langen Abkühlphasen während der mehrlagigen schweißtechnischen Fertigung führen jedoch speziell bei den ersten Schweißraupen zu sehr hohen Reaktionsspannungen. Dabei erwiesen sich schmalere Nahtfugen verbunden mit dem Einsatz modifizierter Schweißprozesse und der Einsatz dehnfähiger Schweißzusätze für das Wurzelschweißen als geeignete Mittel, um eine deutliche Absenkung des Beanspruchungsniveaus beim Schweißen unter Schrumpfbehinderung zu erreichen. Ferner ist damit eine weitere wesentliche Reduzierung der Gesamtbeanspruchung und insbesondere der Zugeigenspannungen in der WEZ möglich. Mithilfe dieser Erkenntnisse ist die Optimierung der schweißbedingten Beanspruchungen unter Nutzung einer adaptierten Wärmeführung zur verbesserten Ausnutzung des Festigkeitspotentials höherfester Feinkornbaustähle erreichbar.
Der zunehmende Bedarf an hochfesten Feinkornbaustählen in modernen Schweißkonstruktionen, in einer deutlich wachsenden Anzahl von Branchen wie dem Hoch-, Anlagen- und Kranbau, führte in den letzten Jahren zur Entwicklung zahlreicher Grund- und Zusatzwerkstoffe. Neben der Erreichung anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften wird die wirtschaftliche Verarbeitung dieser Güten durch hohe Sicherheitsanforderungen an die Schweißnaht bestimmt. Hohe Zugeigenspannungen in der Schweißverbindung können die Beanspruchbarkeit und Sicherheit eines geschweißten Bauteils wesentlich reduzieren. Insbesondere bei einer hohen konstruktiven Schrumpfbehinderung können die Beanspruchungen auch schon während der Fertigung ein risskritisches Niveau erreichen.
Mittels geeigneten Wärmeführungen beim Schweißen und der adäquaten Auswahl von Schweißprozess und Zusatzwerkstoffen ist sowohl eine Minimierung der sich lokal in der Naht bildenden Zugeigenspannungen als auch der globalen infolge von Abstützeffekten auftretenden Reaktionsspannungen und -momente erzielbar. Im Rahmen zweier AiF-Forschungsvorhaben IGF.-Nr. 17267 N und 17978 N wurden verschiedene experimentelle Beanspruchungsanalysen durchgeführt, um den Schweißprozess hinsichtlich der resultierenden schweißbedingten Beanspruchungen zu untersuchen. Hierfür war es erforderlich, die Steifigkeitsverhältnisse so wie sie beim Schweißen realer Bauteilstrukturen auftreten, auf Schweißexperimente im Labor zu übertragen.
Dazu wurde bspw. eine an der BAM eigens entwickelte Prüfanlage eingesetzt, mit der die mehraxialen Belastungen analysiert wurden, die mit bis zu 2 MN beim Vorwärmen, Schweißen und Abkühlen auftreten. Die Schweißeigenspannungen wurden mittels Röntgendiffraktometrie bestimmt. Zwar zeigten sich für niedrige Arbeitstemperaturen beim Schweißen ein signifikant reduziertes Gesamtbeanspruchungsniveau nach der Abkühlung der gesamten Schweißnaht. Die langen Abkühlphasen während der mehrlagigen schweißtechnischen Fertigung führen jedoch speziell bei den ersten Schweißraupen zu sehr hohen Reaktionsspannungen. Dabei erwiesen sich schmalere Nahtfugen verbunden mit dem Einsatz modifizierter Schweißprozesse und der Einsatz dehnfähiger Schweißzusätze für das Wurzelschweißen als geeignete Mittel, um eine deutliche Absenkung des Beanspruchungsniveaus beim Schweißen unter Schrumpfbehinderung zu erreichen. Ferner ist damit eine weitere wesentliche Reduzierung der Gesamtbeanspruchung und insbesondere der Zugeigenspannungen in der WEZ möglich. Mithilfe dieser Erkenntnisse ist die Optimierung der schweißbedingten Beanspruchungen unter Nutzung einer adaptierten Wärmeführung zur verbesserten Ausnutzung des Festigkeitspotentials höherfester Feinkornbaustähle erreichbar.
Strategic aspects for the development of measurement uncertainty annexes for ISO testing standards
(2017)
The presentation shows an overview over the current situation of the development of measurement uncertainty annexes for ISO mechanical testing standards. The comparability of measurement uncertainty statements is not ensured. The utilization of ready calculated measurement uncertainty values remains unclear. Partly the measurement uncertainty values clash with existing product standards where minimum values e.g. for the materials strength are determined. A route forward is shown to solve the current problems.
Der Vortrag gibt einen Überblick über die wichtigsten Aspekte der anstehenden Revision der Norm ISO 12111 aus deutscher Sicht. Ferner wird ein neues Normungsprojekt für eine ISO-Norm für den kraft-geregelten TMF-Versuch unter deutscher Leitung vorgestellt. Es wird ein Ausblick über Rissfortschrittsmessungen bei TMF-Beanspruchung gegeben. Ferner wird über die Problematik der thermisch bedingten Drift von Extensometern gesprochen. Der Vortrag schließt mit Betrachtungen zur Messunsicherheit ab, die in Normen einfließen.
The digitalization of industrial processes is the most discussed topic in society these days. New business models have been developed to benefit from the opportunities offered by a digitally connected world. However, the focus in on the smart factory consisting of autonomous acting cyber physical systems (CPS). The efficient implementation of such CPS within an industrial environment requires the digitalization of the corresponding production processes. The digital twin of the process under investigation enables to develop sophisticated monitoring and control strategies which are necessary to fulfil the requirements of individual product design.
The need for a digitalization of the welding process is a logical consequence especially with regards to its industrial importance. The theoretical investigations and derived mathematical models of the welding process are well known since many decades. Anyhow, there is still a lack of industrial applicability of such models for an efficient and safe design of welded components. With respect to structural welding simulation that targets the heat effects of welding in terms of global quantities like temperature, solid phase distribution and residual stresses as well as distortions, the limited predictability of these quantities for arbitrary process parameters hinders its usability.
This presentation aims to give an overview of the current state of the art in structural welding simulation to predict the evolution of welding induced temperatures, stresses and distortions. Emphasis is given to industrial applicability of such models by reduction of the calculation times for large real-world structures and improved prediction of optimal process parameters. Furthermore, the role of such models within a weld data management system is demonstrated. The accumulation and relational storage of simulation and measuring data improves the overall process knowledge. This enables virtual cause and effect analyses of new process parameters as basis for a control system design.
In modernen Stahlkonstruktionen werden immer häufiger hochfeste Feinkornbaustähle erfolgreich eingesetzt. Dies resultiert aus dem aktuellen Bestreben, leichte Komponenten zu fertigen und damit die Energie- und Ressourceneffizienz zu steigern. Die Herausforderungen an die Auslegung und Herstellung geschweißter Bauteile nimmt jedoch mit steigenden Festigkeiten und abnehmenden Dehnungsreserven der eingesetzten Werkstoffe zu. So können hohe Schweißeigenspannungen die Beanspruchbarkeit und Bauteilsicherheit kritisch herabsetzen. Untersuchungen zeigten bereits deutliche Einflüsse von Werkstoff, Wärmeführung sowie Schweißprozessparametern und der um-gebenden Konstruktion der Schweißnaht auf den Beanspruchungszustand geschweißter Bauteile. Der Einsatz moderner modifizierter Sprühlichtbogenprozesse (mod.SLB) gestattet in diesen Zusammenhang neben den bekannten wirtschaftlichen Vorteilen das Schweißen einer deutlich schmaleren Nahtgeometrie. Aufgrund des resultierenden reduzierten Gesamtwärmeeintrages sind deutlich geringere schweißbedingte Beanspruchungen und eine höhere Beanspruchbarkeit hochfester Schweißkonstruktionen erreichbar. Unter Nutzung spezieller Prüfanlagen konnten mehrlagige Schweißexperimente zur Analyse des Einflusses der Nahtgeometrie auf die Eigenspannungsausbildung und Gesamtbeanspruchung hochfester Schweißverbindungen bei bauteilähnlichen Einspannbedingungen durchgeführt werden. Für die reduzierten Nahtvolumina zeigte sich eine signifikante Absenkung des Beanspruchungsniveaus während des Schweißens und nach der Abkühlung.
Die Ergebnisse von in-situ Experimenten am Berliner Elektronenspeicherring (BESSY II) werden vorgestellt. Es wurden Zugversuche an wasserstoffbeladenen und wasserstofffreien supermartensitischen Proben durchgeführt und Diffraktionsspektren und radiographische Bilder aufgenommen. Die energiedispersive Röntgendiffraktion ermöglichte dabei die dehnungsinduzierte Phasenumwandlung von Restaustenit zu Martensit in-situ zu beobachten. Die Radiographiebilder der zerreisenden Probe gaben Einblicke in das Bruchverhalten in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt des Supermartensits.
The ageing of Fe-Cr model alloys in 0.5 % SO2 and 99.5 % Ar atmosphere was investigated to aim in a fundamental and systematic analysis of the combined oxidation and sulfidation mechanism. The crystallization and reaction paths for oxide and sulfide formation were followed in-situ by energy dispersive X-ray diffraction (EDXRD) in an early stage of corrosion (30 s – 24 h). For this technique, high energetic white synchrotron X-ray radiation (10-100 keV) was used as radiation source. Diffraction pattern were collected continuously in an early stage of corrosion up to 24 h during the complete ageing experiment.
The crystalline phases, growing on top of the coupons, were identified directly via their specific dhkl values. The evolution of the extracted integral intensities of specific reflections of the corrosion products as a function of time access direct information about the kinetics of the nucleation and growth. The results presented here show for iron with 2 wt% Cr wuestite formation first. Wuestite vanishes after 10 min of reaction only and magnetite and hematite appear. Magnetite formation proceeds simultaneously with sulfide formation. Sulfides growth proceeds after an incubation time, which differs for low alloyed (2 wt% Cr) and high alloyed (9 wt% Cr) material.
Laser metal deposition is described with its applications for additive manufacturing. The necessary process chain is discussed, with regard to weld bead dimensions and 3D build-up strategy. Metallurgical cross sections, x-ray and tensile tests are conducted. As demonstrative components, a gas turbine burner and a turbine blade are shown
Borosilicate glass has a wide range of technical applications due to its high chemical durability and thermal-shock resistivity. Here the effect of H2O on 16 Na2O, 10 B2O3,74 SiO2 glass is studied over a wide range of water contents from 0 to 8 wt.%. MIR spectra give evidence for the coexistence of strongly and weakly H-bonded hydrous species. Evaluation of NIR bands at 5200 cm-1 (molecular H2O), 4700 cm-1 (B-OH), and 4500 cm-1 (Si-OH) reveal that OH groups dominate up to ~6 wt.% H2O, with B-OH/Si-OH of ≈ 0.8. The incorporation of low amounts of H2O has strong impact on structure. NMR spectra of nominally dry glasses indicate a significant fraction (12 %) of 3-coordinated boron, but almost all boron is 4-coordinated after addition of 3 wt.% H2O. Raman spectra show that hydration results preferentially in transformation of Q4 to Q2 while Q3 remain unchanged, probably stabilized by bonding to BO4 tetrahedra. Viscosity measurements and differential thermal analysis give consistent results, confirming strong decrease of the glass transition temperature with addition of water from 849 K (dry) to 540 K (5 wt% H2O). An additional relaxation mechanism in hydrous glasses is inferred from dynamic mechanical analysis and is assigned to cooperative processes involving hydrous species. It is postulated that this relaxation mechanism plays an important role in crack growth kinetics.
Surface water-induced broadening of crack initiation probability of zinc aluminosilicate glasses
(2017)
The crack generation probability by Vickers indentation of glass surfaces is known to be influenced by the atmospheric conditions under which the Vickers experiment is performed [1]. However, the effect of surface water due to preparation and storage of the glass surfaces prior to the indentation is less understood. Therefore, zinc aluminosilicate glasses of perzinc, peraluminous as well as nominally NBO-free meta-aluminous composition were prepared by melt quenching. Surfaces of cut and polished specimens of these glasses were either stored for seven days under constant atmosphere (50 °C; 55% RH) or etched (HF: 20vol%; 20 min) shortly before indentation. The obtained results show a strong variation of crack initiation behavior depending on chemical composition of the glasses as well as sample preparation. All experiments were performed in dry nitrogen gas to minimize the influence of atmospheric humidity during indentation. While the regular glass surfaces exposed to humid air prior to Vickers indentation show a broad distribution of crack initiation probability, this distribution narrows down if etched glass surfaces are tested. SNMS depth profiling shows a water enriched layer at the surface (150 μm) for the non-etched and stored specimens leading to the conclusion that surface water causes broadening of the crack initiation probability of glass surfaces.
Borosilicate glass has a wide range of technical applications due to its high chemical durability and thermal-shock resistivity. Here the effect of H2O on 16 Na2O, 10 B2O3,74 SiO2 glass is studied over a wide range of water contents from 0 to 8 wt.%. MIR spectra give evidence for the coexistence of strongly and weakly H-bonded hydrous species. Evaluation of NIR bands at 5200 cm-1 (molecular H2O), 4700 cm-1 (B-OH), and 4500 cm-1 (Si-OH) reveal that OH groups dominate up to ~6 wt.% H2O, with B-OH/Si-OH of ≈ 0.8. The incorporation of low amounts of H2O has strong impact on structure. NMR spectra of nominally dry glasses indicate a significant fraction (12 %) of 3-coordinated boron, but almost all boron is 4-coordinated after addition of 3 wt.% H2O. Raman spectra show that hydration results preferentially in transformation of Q4 to Q2 while Q3 remain unchanged, probably stabilized by bonding to BO4 tetrahedra. Viscosity measurements and differential thermal analysis give consistent results, confirming strong decrease of the glass transition temperature with addition of water from 849 K (dry) to 540 K (5 wt% H2O). An additional relaxation mechanism in hydrous glasses is inferred from dynamic mechanical analysis and is assigned to cooperative processes involving hydrous species. It is postulated that this relaxation mechanism plays an important role in crack growth kinetics.
Hydrous silicate and borate glasses of up to 8 wt% water were prepared using wet condition of melting under external pressure. Rheological experiments were conducted to determine the effect of the total water content on viscous flow and kinetic fragility. The findings indicate that dissolved water acts as a strong fluxing agent in both glass types. Water decreases particularly viscosity at the glass transition range, makes the viscosity-temperature curve "longer" and thus decreases kinetic fragility. Recent IR and NMR data are presented to link the dynamics of hydrous silicate and borate glasses with their structure particularly with regard to changes in the water-, silicon- and boron-speciation.
Presentation of the work of division 9.4 with focus on the Key aspects of component welding applying higher-strength fine-grained structural steels. The increased application of higher-strength steels and filler materials necessitates a more profound understanding of the interactions between the welding process, the heat input, the cooling conditions and the resulting metallurgical processes in the weld and its surroundings. Strategies, which help to improve the strength properties and life-time of welded structures to such an extent that the utilisation of higher-strength materials can be justified and their lightweight construction potential can thus be exploited to the full, can only be derived from the interaction between all the influencing factors. Examples of a few investigations on welded joints between higher-strength fine-grained structural steels with regard to the interactions between the main variables influencing the cold cracking are presented.
Um das Risswachstum in Gläsern zu untersuchen, sind in einer Glovebox 185 Risse ausgehen von Vickers-Eindrücken in Kalk-Natron-Glas initiiert und gewachsen. Die direkte Beobachtung des unterkritischen Risswachstums erfolgte mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Die Ergebnisse zeigen, dass die statistische Auswertung vieler radialer Risse von multiplen Rissevents notwendig ist, um eine Korrelation zum Spannungsintensitätsfaktor ziehen zu können.
185 cracks were initiated in a soda-lime-silica glass by Vickers indentation and grown under controlled dry nitrogen atmosphere. Direct observation of subcritical crack growth (SCCG) upon indentation was performed using a video camera with an image acquisition rate of 3 ms. The results show that the validity of K(c) relations used to determine the indentation fracture toughness from a single imprint is questionable. It seems that correlation of crack length to stress intensity necessitate the use of statistical significant data of multiple crack events.
Recent studies have shown that host-microbiota interactions can lead to dramatic changes in host phenotype. We investigate the causal drivers of microbe-associated shifts in host phenotype by examining how feeding behaviour is modulated by microbiota interactions in two omnivorous cockroaches: Blatta orientalis and Blatella germanica. We conducted food-choice experiments after challenging hosts with a common entomopathogenic soil bacterium to understand the impact of pathogens on host macronutrient preference. We find that immune challenge by a pathogenic microbe drives a sharp decline in carbohydrate intake and results in a relative increase in the ratio of protein to carbohydrate (P:C) consumed. Additionally, infected cockroaches reduce their Overall nutrient intake, which is consistent with an illness-induced anorexia-like response. We show for the first time that cockroach feeding behaviour is dynamically modulated by a pathogen, and examine the influence of modified feeding behaviour on host immunity. We also investigate whether in Addition to pathogens, gut commensals are causally responsible for shifts in host behavioural phenotype. Here, we conduct food-choice and immune-challenge experiments in germ-free cockroaches, which have been refaunated with gut microbiota that are experimentally adapted to variable macronutrient (P:C) diets.
Recent studies have shown that host-microbiota interactions can lead to dramatic changes in host phenotype. We investigate the causal drivers of microbe-associated shifts in host phenotype by examining how feeding behaviour is modulated by microbiota interactions in two omnivorous cockroaches: Blatta orientalis and Blatella germanica. We conducted food-choice experiments after challenging hosts with a common entomopathogenic soil bacterium to understand the impact of pathogens on host macronutrient preference. We find that immune challenge by a pathogenic microbe drives a sharp decline in carbohydrate intake and results in a relative increase in the ratio of protein to carbohydrate (P:C) consumed. Additionally, infected cockroaches reduce their overall nutrient intake, which is consistent with an illness-induced anorexia-like response. We show for the first time that cockroach feeding behaviour is dynamically modulated by a pathogen, and examine the influence of modified feeding behaviour on host immunity. We also investigate whether in addition to pathogens, gut commensals are causally responsible for shifts in host behavioural phenotype. Here, we conduct food-choice and immune-challenge experiments in germ-free cockroaches, which have been refaunated with gut microbiota that are experimentally adapted to variable macronutrient (P:C) diets.
Diverse animal species consume toxins, minerals or secondary compounds as an adaptive response to pathogen infection – a process termed self-medication. Recent studies have also shown that macronutrients can play an important role in an individual’s infection response. For instance African army worm caterpillars select a diet rich in protein and low in carbohydrate upon baculovirus infection. Here we investigate whether dietary choice of macronutrients also plays a role in immunity in the omnivorous cockroach: Blatta orientalis. After challenging individual cockroaches with a common entomopathogenic soil bacterium, Pseudomonas entomophila, we conducted food-choice experiments using two artificial diets differing in their relative protein to carbohydrate ratio. We show for the first time that cockroaches are able to self-select a protein-enriched diet as a response to bacterial infection. This is driven by a sharp decline in carbohydrate intake rather than an increase in protein intake. Additionally, infected cockroaches reduced their overall nutrient intake, which is consistent with an illness-induced anorexia-like response. The feeding pattern of bacteria-challenged individuals returned to normality approx 4 days after challenge. We also investigate whether cockroach survival and hemolymph immunity are enhanced in individuals when restricted to a protein-rich vs. carbohydrate-rich diet. Overall, our findings demonstrate that macronutrient preferences follow a general pattern independent of pathogen type. Furthermore, we show that interactions between nutrition and immunity are highly conserved in evolution, highlighted by the fact that caterpillars and cockroaches diverged some 386 million years ago.
Damage development and damage tolerance of structures manufactured by selective laser melting
(2017)
The additive manufacturing technology of Selective Laser Melting (SLM) experiences a rapid development within an increasing marked of quite different application fields. The properties of SLM materials and structures are influenced by a number of tech-nological parameters such as the metal powder (particle size, homogeneity, cleanliness), the laser tool (power, beam diameter, pulse lengths), the scanning operation (speed, sequence and orientation of melting paths), parameters of the over-all equipment (design and preheating of the base plate, currents and turbulence in the protective gas atmosphere) and, last not least, the hatching strategy including the build-up direction of the structure with respect to the loading direction of the component.
For the perspective use of SLM structures as load carrying, safety-relevant components the knowledge of their mechanical properties is necessary. It is essential to understand these in the context of the manufacturing-related features and at the back-ground of the basic characteristics of metallic materials: crystal lattice, microstructure and material defects. The paper provides an overview on factors which affect the mechanical parameters stiffness, strength, ductility, toughness, fatigue crack propagation and fatigue strength in the context of selective laser melting.
The manufacture of sintered glasses and glass-ceramics, glass Matrix composites and glass-bounded ceramics or pastes is often affected by gas bubble formation. Against this background, we studied sintering and foaming of barium silicate glass powders used as SOFC sealants using different powder milling scenarios. Sintering was measured by means of heating microscopy backed up by XPD, DTA, Vacuum Hot Extraction (VHE) and optical and electron microscopy. Foaming increased significantly as milling progressed. For moderately milled glass powders, subsequent storage in air could also promote foaming. Although the powder compacts were uniaxially pressed and sintered in air, the milling environment significantly affected foaming. The strength of this effect increased in the order Ar >> N2 < air < CO2. Conformingly, VHE studies revealed that the pores of aerated samples predominantly encapsulated CO2, even for powders milled in Ar and N2. Results of this study thus indicate that foaming is caused by carbonaceous species trapped on the glass powder surface. Foaming could be substantially reduced by milling in water and 10 wt% HCl.
Up to now, the mechanisms of surface nucleation and surface-induced texture formation are far from being understood. Corresponding phenomena are discussed hypothetically or even controversial, and related studies are restricted to very few glasses. As a main drawback, the vast majority of previous work on oriented growth of surface crystals do not consider the possible effects of glass surface treatments (like polishing defects, adhered particles and cracks, …) or ambient annealing conditions (vacuum or atmospheric pressure) which both can influence crystal nucleation and growth. Moreover, very few observations of crystal orientation related to surface crystallization were focused on separately growing crystals. In conclusion, up to now, no systematic studies on initially oriented crystal growth or nucleation from defined active nucleation sites have been pursued.
Therefore, the main objective of the proposed project is to gain a basic understanding of the mechanisms of surface-induced microstructure formation in glass ceramics. We shall answer the question whether preferred orientation of surface crystals is the result of oriented nucleation or caused by other orientation selection mechanisms acting during early crystal growth. In both cases, crystal orientation may be caused by the orientation of the glass surface itself or the anisotropy and orientation of active surface nucleation defects.
New techniques of experimental characterization of surface-crystallized glasses shall be applied to find answers to the questions posed above. Based on a controlled preparation and annealing of the glass sample surfaces, that includes the defined creation of active nucleation defects, and followed by the microstructural characterization especially during the very early growth stages of separated surface crystals, the orientation relations between defect and initiated surface crystal will be analyzed. In order to gain new insights, a couple of entirely new microstructure diagnostics techniques, including chemically contrasted XRM, laser-based sample preparation for XRM, and 3D electron backscatter diffraction shall be developed or applied.
This way, using X-ray microscopy as a pivotal technique for the non-destructive 3D characterization of relatively large samples at superior spatial resolution (but also complemented by other microstructure diagnostics techniques, e.g. TEM elemental mappings at cross-sectioned samples) unprecedented insights into the microstructure evolution upon surface crystallization of model glasses will be gained.
Glasig-kristalline Werkstoffe für Schlüsseltechnologien - Prozessbegleitende Prüfung und Simulation
(2017)
Eigenschaftsprofile und Kennwertstreuungen keramischer und glaskeramischer Komponenten und Bauteile werden durch ihren Herstellungsprozess wesentlich mitbestimmt. Prozessbegleitende Prüf- und Simulationsmethoden gewinnen so wachsenden Einfluss auf die Erschließung neuer Applikationsfelder dieser Werkstoffe. Eine wichtige Rol¬le spielen hierbei oft thermokinetische Prozesse, die u. a. Wärmetransport- und Diffusionsvorgänge, Phasengrenzflächenreaktionen, das rheologische Verhalten heterogener Systeme sowie deren Gefügeevolution beim Sintern umfassen. Ziel des Vortrages ist es, diesen Trend anhand ausgewählter Bei-spiele aus der Arbeit des Fachbereichs Glas der BAM zu illustrieren.
The layer-wise slurry deposition (LSD) is an innovative process for the deposition of powder layers with a high packing density for Additive Manufacturing (AM). A slurry with small organic content is repetitively spread as thin layers on top of each other by means of a doctor blade. During the deposition, the ceramic particles settle to form thin layers with a high packing density (55-60%). Each layer is then dried, resulting in the stacking of a dry powder bed with high powder packing. When coupled with a printing head or with a laser source, the LSD enables novel AM technologies inspired to the 3D printing or selective laser sintering, but taking advantage of having a highly dense powder bed.
The LSD -3D printing, in particular, offers the potential of producing large (> 100 mm) and high quality ceramic parts, with microstructure and properties similar to traditional processing.
This presentation will give an overview of the milestones in the development of this technology, with focus on the latest results applied both to silicate and to technical ceramics.
Several Additive Manufacturing (AM) processes are based on the deposition of a powder to form a powder bed layer-by-layer, which typically has a low packing density (35-50%) and consequently hinders the ability of sintering ceramic parts to full density.
The layerwise slurry deposition (LSD) is an innovative process for the deposition of layers in AM. In the LSD, a slurry with no or small organic content is repetitively spread as thin layers on each other by means of a doctor blade. During the deposition, the ceramic particles settle to form thin layers with a high packing density (55-60%). When coupled with a printing head or with a laser, the LSD enables novel AM technologies inspired to the 3D printing or selective laser sintering, but taking advantage of having a highly dense powder-bed.
The LSD combined with inkjet binder printing (LSD-print) was applied to a submicron Al2O3 powder to produce samples which had a comparable density to uniaxially pressed samples, both in the green and in the sintered state.
Die zerstörungsfreie Prüfung von austenitischen Mischnähten, wie sie beispielsweise im Primärkreislauf von Kernkraftwerken vorkommen, stellt besondere Anforderungen an die eingesetzte Ultraschallprüfung. Voraussetzung für die positions- und größenrichtige Darstellung von Bauteilfehlern, insbesondere bei bildgebenden Ultraschallverfahren, ist die genaue Kenntnis der Materialparameter auf dem gesamten Schalllaufweg vom Sender zum Empfänger. Im Rahmen eines Forschungsprojekts entwickeln wir ein zerstörungsfreies, inverses Verfahren, das die Schweißnahtparameter entsprechend des Ogilvy-Modells aus der Schallschnelleverteilung bestimmt, die eine Longitudinalwelle an der Oberfläche erzeugt, nachdem sie durch die Schweißnaht gelaufen ist.
Lumineszenzmethoden und funktionelle Chromophore erlangten in den letzten Jahren breite Anwendungen in den Material- und Lebenswissenschaften wie z.B. in der medizinischen Diagnostik, der Beleuchtungs- und Displaytechnologie, der Photovoltaik oder im Sicherheitsbereich für die Echtheitskodierung. Entscheidend für eine hohe Effizienz und Nachweisempfindlichkeit funktioneller Chromophore ist eine große Helligkeit bzw. Brillanz. Brillante Stoffe zeichnen sich durch eine hohe Absorption des anregenden Lichtes (messbar über den molaren Extinktionskoeffizienten) aus sowie durch eine effiziente Umwandlung des absorbierten Lichtes in Lumineszenzlicht bzw. durch eine große Photolumineszenzquantenausbeute aus. Die Bestimmung der Schlüsselgröße Fluoreszenzquantenausbeute erfolgt i.a. relativ zu einem Farbstoff bekannter Fluoreszenzquantenausbeute über einen Vergleich der absorptionsgewichteten integralen Fluoreszenzspektren von Probe und Standard. Hierfür werden Referenzmaterialien mit zertifizierten Fluoreszenzquantenausbeuten benötigt, die bislang nicht verfügbar sind. Im folgenden werden die laufenden Forschungsarbeiten an einer Serie an Fluoreszenzquantenausbeutestandard vorgestellt, die im Spektralbereich von 350 nm – 1050 nm emittieren. Diese Materialien können auch zur Überprüfung von Ulbrichtkugelmessplätzen eingesetzt werden.
The work aims at addressing the modelling and implementation of criteria for multiple crack propagation, including interaction and coalescence, for a more reliable fracture mechanics-based prediction of stress-life curves for weldments.
A large experimental work is presented in which micro-cracks have been made visible by heat-tinting at successive stages of fatigue life of the welded specimens. Here the correlation between the number of initiation sites and the applied stress level has been also investigated.
The criteria have been implemented in in-house software, which allows multiple fatigue crack propagation, and validated against selected experimental tests. The results have shown that the modelling of multiple crack propagation and interaction is crucial for the prediction of the fatigue strength of weldments, both in finite and infinite life regime.
Faser-Kunststoff-Verbunde werden zunehmend in der Luft- und Raumfahrt, der Automobil- und Windenergieindustrie eingesetzt. Die hier entwickelten Bauteile sind oft nicht nur multiaxialen mechanischen Belastungen, sondern auch hohen klimatischen Beanspruchungen ausgesetzt. Einsatztemperaturen zwischen -60°C und 100°C bei 10-90% relativer Feuchte sind keine Seltenheit, in der Raumfahrt sind die thermischen Belastungen sogar noch extremer. Die Auswirkungen einer Wechselwirkung extremer klimatischer Beanspruchungen mit multiaxialen mechanischen Belastungen wurden bisher kaum betrachtet. Das Ziel des Projektes ist die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens der Faser-Kunststoff-Verbunde in Abhängigkeit von multiaxialer mechanischer Belastung, Temperatur und Feuchte. Dazu werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an Flach- und Rohrproben sowie numerische und analytische Berechnungen durchgeführt.
Für die Durchführung der Experimente werden zunächst Glasfaser-Preforms in einem an der BAM entwickelten Haspelverfahren ohne nominelle Ondulation hergestellt. Aus diesen Preforms werden anschließend in einem vakuumunterstützten Resin Transfer Molding (RTM)-Prozess die GFK-Probekörper gefertigt.
Bisher wurden die thermoelastischen Eigenschaften und die Festigkeiten des Faser-Kunststoff-Verbundes und der Matrix mit Zug- und Druckversuchen unter paralleler Temperaturlast im Bereich von -60°C bis +80°C ermittelt. Auf der Basis eines Konzeptes zur Berechnung der Matrixbeanspruchung wurde ein Modell zur Bestimmung des Schädigungsbeginns von Laminaten unter quasistatischer thermomechanischer Belastung weiterentwickelt und experimentell validiert.
Im weiteren Verlauf des Projekts wird das Verhalten von Glasfaser-Kunststoff-Verbunden unter schwingender Belastung und paralleler Temperaturlast untersucht. Hier wurden bereits Experimente bei Raumtemperatur durchgeführt. Mit dem Verfahren der Grauwertanalyse ist es dabei möglich, in-situ die Schädigung des Werkstoffs zu messen. Des Weiteren wird das Verhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden unter zyklischer Temperaturlast ohne mechanische Belastung untersucht. Auch hier zeigen sich bereits nach wenigen Lastwechseln erste Zwischenfaserbrüche.
The paper provides an overview on the results of a German cluster project on the use of fracture mechanics to the determination of the fatigue strength of weldments with fatigue cracks originating at the weld toes. The approach includes (a) a concept for short crack propagation for which the common K concept is not applicable and the crack closure effects are still being gradually build-up, (b) a method for determining fatigue life relevant initial crack sizes as they are needed in any fracture mechanics analysis and (c) multiple cracking and crack coalescence at load levels higher than the endurance limit. The analyses are stochastically performed. Both, the endurance limit as defined for 107 loading cycles and the finite life branch of the S-N curve are determined.
Besides a brief introduction into the approach, a wide range of validation examples is presented. These comprise different weldment types (butt welds, cross joints and longitudinal stiffened plates), two steels of quite different strengths, different weld geometries due to different welding techniques (TIG, MAG), as-welded and stress relieved welds and different stress ratios varying from R = -1 to R = 0.5.
Proben mit einer Mittelkerbe aus Polyamid 66 mit 35% Gewichtsan-teil an Kurzglasfaser (PA-GF35) wurden im Spritzgießverfahren hergestellt und in einem ungeschädigten und durch Schwingbeanspruch geschädigten Zustand mittels Röntgenverfahren charakterisiert. Sowohl die Faserorientierungsverteilung als auch die Riss-/Mikrorissbildung wurden mit der Röntgenrefraktionstopographie in einem SAXS-Aufbau und dem Diffraction-Enhanced-Imaging am Synchrotron (BESSY II) analysiert. Beide Verfahren spiegeln in guter Übereinstimmung die Charakteristiken dieser Werkstoffklasse in Bezug auf die Fertigungsqualität und die Schädigungsme-chanismen wider.
Mechanochemistry is increasingly used for synthesizing soft matter materials including metal organic compounds and cocrystals.1,2 The ever-increasing interest in this method is contrasted by a limited mechanistic understanding of the mechanochemical reactivity and selectivity. Time-resolved in situ investigations of milling reactions provide direct insights in the underlying mechanisms.3,4 We recently introduced a setup enabling in situ investigation of mechanochemical reactions using synchrotron XRD combined with Raman spectroscopy (Fig.1a) The specific combination allows to study milling processes comprehensively on the level of the molecular and crystalline structure and thus obtaining reliable data for mechanistic studies. In this talk I will discuss our recent results investigating the formation of (polymorphic) cocrystals.
Mechanochemistry is increasingly used for synthesizing soft matter materials including metal organic compounds and cocrystals.1,2 The ever-increasing interest in this method is contrasted by a limited mechanistic understanding of the mechanochemical reactivity and selectivity. Time-resolved in situ investigations of milling reactions provide direct insights in the underlying mechanisms.3,4 We recently introduced a setup enabling in situ investigation of mechanochemical reactions using synchrotron XRD combined with Raman spectroscopy (Fig.1a) The specific combination allows to study milling processes comprehensively on the level of the molecular and crystalline structure and thus obtaining reliable data for mechanistic studies. In this talk I will discuss our recent results investigating the formation of (polymorphic) cocrystals.6-7 First investigations of a mechanochemical synthesis under controlled temperature (Fig 2a) which allow determining the activation barrier are presented.8 Furthermore, in situ Raman spectroscopy coupled with thermography revealed a low temperature increase during milling reactions due to the mechanical impact and clear temperature increases as a result of the reaction heat.
Mechanochemistry is increasingly used for synthesizing soft matter materials including metal organic compounds and cocrystals. The ever-increasing interest in this method is contrasted by a limited mechanistic understanding of the mechanochemical reactivity and selectivity. Time-resolved in situ investigations of milling reactions provide direct insights in the underlying mechanisms. We recently introduced a setup enabling in situ investigation of mechanochemical reactions using synchrotron XRD combined with Raman spectroscopy. The specific combination allows to study milling processes comprehensively on the level of the molecular and crystalline structure and thus obtaining reliable data for mechanistic studies. In this contribution, I will discuss our recent results investigating the formation of (polymorphic) cocrystals and metal phosphonates. First investigations of a mechanochemical synthesis under controlled temperature which allow determining the activation barrier are presented. Furthermore, in situ Raman spectroscopy coupled with thermography revealed a low temperature increase during milling reactions due to the mechanical impact and clear temperature increases as a result of the reaction heat.5 Our results indicate that in situ investigation of milling reactions offer a new approach to tune and optimize mechanochemically synthesized compounds.
Mechanochemistry is increasingly used for synthesizing soft matter materials including metal organic compounds and cocrystals.1 The ever-increasing interest in this method is contrasted by a limited mechanistic understanding of the mechanochemical reactivity and selectivity. Time-resolved in situ investigations of milling reactions provide direct insights in the underlying mechanisms.2,3 We recently introduced a setup enabling in situ investigation of mechanochemical reactions using synchrotron XRD combined with Raman spectroscopy. The specific combination allows to study milling processes comprehensively on the level of the molecular and crystalline structure and thus obtaining reliable data for mechanistic studies. In this contribution, I will discuss our recent results investigating the formation of (polymorphic) cocrystals and metal phosphonates.4 First investigations of a mechanochemical synthesis under controlled temperature which allow determining the activation barrier are presented. Furthermore, in situ Raman spectroscopy coupled with thermography revealed a low temperature increase during milling reactions due to the mechanical impact and clear temperature increases as a result of the reaction heat.5 Our results indicate that in situ investigation of milling reactions offer a new approach to tune and optimize mechanochemically synthesized compounds.
Ein neuartiger Modellierungsansatz für die Berechnung des transienten Temperaturfeldes beim Laserstrahlschweißen mit einer äquivalenten Wärmequelle wurde vorgestellt. Das numerische Modell wurde in zwei Studien unterteilt. Im ersten Teil wurde der Laserstrahlschweißprozess in einer stationären Schmelzbadsimulation untersucht. Die lokale Schmelzbadgeometrie und das Temperaturfeld wurden unter Berücksichtigung der Effekte der thermokapillaren und freien Konvektion, der latenten Wärme und der temperaturabhängigen Materialeigenschaften bis hin zur Verdampfungstemperatur ermittelt. Die Ergebnisse wurden benutzt, um eine äquivalente volumetrische Wärmequelle zu definieren. In der folgenden Studie wurde damit das transiente Temperaturfeld im geschweißten Bauteil berechnet. Die numerischen Ergebnisse wurden durch parallel laufende Experimente validiert.
In this study, series of coatings with the goal of sensitising gold SPR sensors towards CO, NH4, etc. were prepared. To better understand the mechanism behind the sensitizing effect and to enable the targeted production of optimized layers, the wide range of coatings was studied by multiple methods from spectroscopic ellipsometry for their dielectric function, by XPS for chemical composition and SEM, TEM to determine their microscopic structure. The coatings were deposited at inert Ar gas and reactive Ar/O2 gas mixture by RF magnetron sputtering or DC pulsed magnetron sputtering with settable RF bias on the substrates. The plasma processes were monitors by mass spectrometry.
The metal oxide coatings in SPR sensors have to be prepared reproducible with thickness about 5 nm therefore lower deposition rate conditions were advantages.
Digital vernetzte Sensorik für Erfassung von Prozessgrößen
- Datenbankstruktur zur Integration sämtlicher Messgrößen
- In-situ Korrelation zwischen Prozessparametern und
Schweißergebnis auf Basis künstlicher Intelligenz
- Sukzessiver Aufbau an Prozesswissen selbstlernendes
System
- Prozessregelung MSG-Engspaltschweißen
-Adaptiver Pendelwinkelkeine Vorgabe durch Anwender notwendig gleichmäßiger Flankeneinbrand
-Füllgradregelung Vorgabe einer Zielaufbauhöhe durch Anwender autarke Regelung der Prozessgrößenfür gleichmäßige Füllhöhe bei Variation der Spaltbreite