Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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The structural and thermoelectric properties of Na- and Ag-substituted CoO dense ceramics have been investigated. X-ray diffraction shows that pure phase and Ag/CoO composites have been obtained for Na-doped and Ag-doped CoO, respectively. Raman spectroscopy shows an effect of Na dopants on the lattice disorder of CoO. The chemical composition, element distribution, and valence states of the samples have been characterized by Auger electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. Substitution of Co by 5 at. % Na enhances the power factor to 250 μWm−1 K-2 at 1000 K, similar to that of Ca3Co4O9. The corresponding thermal conductivity is also reduced to 3.55 W.m−1 K−1 at 1000 K. Consequently, Co0.95Na0.05O exhibits the best thermoelectric figure of merit (ZT), which is 0.07 at 1000 K. On the other hand, the substitution of Ag into CoO leads to the formation of CoO/Ag composites and deteriorates ZT values.
While the volumetric energy density is commonly used to qualify a process parameter set, and to quantify its influence on the microstructure and performance of additively manufactured (AM) materials and components, it has been already shown that this description is by no means exhaustive. In this work, new aspects of the optimization of the selective laser melting process are investigated for AM Ti-6Al-4V. We focus on the amount of near-surface residual stress (RS), often blamed for the failure of components, and on the porosity characteristics (amount and spatial distribution). First, using synchrotron x-ray diffraction we show that higher RS in the subsurface region is generated if a lower energy density is used. Second, we show that laser de-focusing and sample positioning inside the build chamber also play an eminent role, and we quantify this influence. In parallel, using X-ray Computed Tomography, we observe that porosity is mainly concentrated in the contour region, except in the case where the laser speed is small. The low values of porosity (less than 1%) do not influence RS.
Additive Fertigung hat in den letzten Jahren aufgrund der hohen Flexibilität stark an Bedeutung gewonnen. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik werden hohe Anforderungen an die Qualitätskontrolle additiv gefertigter Bauteile gestellt. Teile die mit dem selektiven Laserschmelzen (SLM) hergestellt werden, bilden schon währen des Fertigungsprozesses Poren oder Risse aus. Aus diesem Grund ist die zerstörungsfreie Prüfung jedes Bauteils notwendig. Erste Versuche haben gezeigt, dass die ex-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen mit hochauflösenden MR Sonden möglich ist und dass Fehler im Bereich von einiger µm detektiert werden können. In dem Vortrag wird eine automatisierte in-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen vorgestellt. Für die Prüfung wird eine Vielzahl hochauflösender MR Sensoren verwendet, um die benötige hohe Ortsauflösung bei gleichzeitig kurzer Prüfzeit zu erreichen. Zusätzlich werden klassische Methoden der Signalverarbeitung verwendet, um die Kosten und die Komplexität des Systems trotz hoher Prüffrequenz zu minimieren. Das vorgestellte System kann in der Zukunft helfen automatisiert Prüfberichte zu generieren, den SLM-Prozess zu kontrollieren oder automatisiert Fehlstellen auszuheilen.
Subsurface residual stresses (RS) were investigated in Ti-6Al-4V cuboid samples by means of X-ray synchrotron diffraction. The samples were manufactured by laser powder bed fusion (LPBF) applying different processing parameters, not commonly considered in open literature, in order to assess their influence on RS state. While investigating the effect of process parameters used for the calculation of volumetric energy density (such as laser velocity, laser power and hatch distance), we observed that an increase of energy density led to a decrease of RS, although not to the same extent for every parameter variation. Additionally, the effect of support structure, sample roughness and LPBF machine effects potentially coming from Ar flow were studied. We observed no influence of support structure on subsurface RS while the orientation with respect to Ar flow showed to have an impact on RS.We conclude recommending monitoring such parameters to improve part reliability and reproducibility.
The quality of components made by laser beam melting (LBM) additive manufacturing is naturally influenced by the quality of the powder bed. A packing density <1 and porosity inside the powder particles lead to intrinsic voids in the powder bed. Since the packing density is determined by the particle size and shape distribution, the determination of these properties is of significant interest to assess the printing process. In this work, the size and shape distribution, the amount of the particle’s intrinsic porosity, as well as the packing density of micrometric powder used for LBM, have been investigated by means of synchrotron X-ray computed tomography (CT). Two different powder batches were investigated: Ti–6Al–4V produced by plasma atomization and stainless steel 316L produced by gas atomization. Plasma atomization particles were observed to be more spherical in terms of the mean anisotropy compared to particles produced by gas atomization. The two kinds of particles were comparable in size according to the equivalent diameter. The packing density was lower (i.e., the powder bed contained more voids in between particles) for the Ti–6Al–4V particles. The comparison of the tomographic results with laser diffraction, as another particle size measurement technique, proved to be in agreement.
Synthetic microswimmers mimicking biological movements at the microscale have been developed in recent years. Actuating helical magnetic materials with a homogeneous rotating magnetic field is one of the most widespread techniques for propulsion at the microscale, partly because the actuation strategy revolves around a simple linear relationship between the actuating field frequency and the propeller velocity.
However, full control of the swimmers’ motion has remained a challenge. Increasing the controllability of micropropellers is crucial to achieve complex actuation schemes that, in turn, are directly relevant for numerous applications. However, the simplicity of the linear relationship limits the possibilities and flexibilities of swarm control. Using a pool of randomly shaped magnetic microswimmers, we show that the complexity of shape can advantageously be translated into enhanced control. In particular, directional reversal of sorted micropropellers is controlled by the frequency of the actuating field. This directionality change is linked to the balance between magnetic and hydrodynamic forces. We further show an example of how this behavior can experimentally lead to simple and effective sorting of individual swimmers from a group. The ability of these propellers to reverse swimming direction solely by frequency increases the control possibilities and is an example for propeller designs, where the complexity needed for many applications is embedded directly in the propeller geometry rather than external factors such as actuation sequences.
The in-situ monitoring of electrochemical deposition (ECD) processes is still a challenge regarding the measurement of the effective temperature of the substrate and the formation of mechanical stress in the layer under given plating conditions. Monitoring problems can be solved by applying a pre-coated fiber Bragg grating (FBG) to the electrolytic process as the shift of the Bragg wavelength is affected by both the temperature of the electrolyte near the substrate and the stress formation in the growing layer. The experimental FBG set-up and the quantitative determination of temperature- and stress-related strain is described for a nickel-iron electrolyte.
Zirconia-based cast refractories are widely used for glass furnace applications. Since they have to withstand harsh chemical as well as thermo-mechanical environments, internal stresses and microcracking are often present in such materials under operating conditions (sometimes in excess of 1700 °C). We studied the evolution of thermal (CTE) and mechanical (Young’s modulus) properties as a function of temperature in a fused-cast refractory containing 94 wt.% of monoclinic ZrO2 and 6 wt.% of a silicate glassy phase. With the aid of X-ray refraction techniques (yielding the internal specific surface in materials), we also monitored the evolution of microcracking as a function of thermal cycles (crossing the martensitic phase transformation around 1000 °C) under externally applied stress. We found that external compressive stress leads to a strong decrease of the internal surface per unit volume, but a tensile load has a similar (though not so strong) effect. In agreement with existing literature on -eucryptite microcracked ceramics, we could explain These phenomena by microcrack closure in the load direction in the compression case, and by microcrack propagation (rather than microcrack nucleation) under tensile conditions.
Degradation of thermal barrier coatings (TBCs) in gas‐turbine engines due to calcium–magnesium–aluminosilicate (CMAS) glassy deposits from various sources has been a persistent issue since many years. In this study, state of the art electron microscopy was correlated with X‐ray refraction techniques to elucidate the intrusion of CMAS into the porous structure of atmospheric plasma sprayed (APS) TBCs and the formation and growth of cracks under thermal cycling in a burner rig. Results indicate that the sparse nature of the infiltration as well as kinetics in the burner rig are majorly influenced by the wetting behavior of the CMAS. Despite the obvious attack of CMAS on grain boundaries, the interaction of yttria‐stabilized zirconia (YSZ) with intruded CMAS has no immediate impact on structure and density of internal surfaces. At a later stage the formation of horizontal cracks is observed in a wider zone of the TBC layer.
In this work, the structural integrity of LBM fabricated IN625 small cylinders (d = 1 mm, h = 6 mm) was investigated regarding the porosity and the surface roughness by means of computed tomography. The measurements were carried out on a GE v|tome|x L 300/180 with a reconstructed voxel size of 2 µm. The pores were analyzed for size, shape and spatial distribution. The correlation between compactness C and spatial distribution showed that elongated pores (C < 0.2) appear exclusively within a distance of 80 µm to the sample surface. The reconstructed surface was digitally meshed and unwrapped to evaluate the mean roughness Ra. Since the gravity correlates linearly with the sine of the build angle, the influence of gravity on porosity and surface roughness was determined.
Evolution of a friction material with braking sequence: properties related to the microstructure
(2019)
The microstructural complexity (multi-component and multi-scale) of friction materials, such as those used in braking applications,usually limits the characterization to the pristine state, even when they are to be submitted to high loading brake sequences. The understanding of properties ageing as a function of load history and microstructure is an important step to gain further knowledge on the tribological mechanisms occurring at the contact surface, as well as on the braking performances. To do so, the bulk mechanical and microscopical properties of a semi-metallic friction material are investigated before and after a braking sequence. Uniaxial compression tests combined with DIC are used to study the axial evolution of the mechanical behaviour (i.e., from the contact surface to the backplate). A significant mechanical evolution is observed in the after-braking material, which develops a layered behaviour along the depth. The layers (three) exhibit distinct mechanical/microstructural features that can be related to the braking thermal gradients and the occurrence of local damage.
Die Messung von Flüssigkeitskonzentrationen in Rohrsystemen ist von großem Interesse für viele unterschiedliche Anwendungen. Die meisten Messsysteme sind jedoch nicht in der Lage, die Flüssigkeit direkt im Rohr zu untersuchen und es muss eine zusätzliche Vorrichtung, wie z.B. einem Bypass, angebracht werden, welche den Kontakt zwischen Flüssigkeit und Sensor ermöglicht.
Um den Einbauaufwand gering zu halten und die Strömungseigenschaften des Rohres nicht zu beeinflussen, wird ein neuartiges Messsystem entwickelt, welches als Teil der Rohrwand ausgeführt werden kann. Dieses neuartige System ist angelehnt an die Idee der phononischen Kristallen (PnK). PnK’s bestehen im Allgemeinen aus einem Matrixmaterial, in welchem Streuzentren periodisch angeordnet sind. Dies führt beim Eintreffen einer akustischen Welle in definierten Frequenz-bereichen, sogenannter Bandlücken, zu zunehmender destruktiven Interferenz. Wird innerhalb einer solchen Bandlücke durch Einbringen einer flüssigkeitsgefüllten Kavität ein Resonanzverhalten erzeugt, kann dies genutzt werden, um die Flüssigkeit zu analysieren.
Im Rahmen von Voruntersuchung wird zunächst das akustische Verhalten des PnK’s, welcher für die Sensorentwicklung genutzt werden soll, unter Vernachlässigung der Flüssigkeit ausführlich untersucht. Hierbei werden zunächst die Bandlücken ermittelt und das Übertragungsverhalten betrachtet. Dieses wird im Anschluss experimentell überprüft.
Additive Fertigung hat in den letzten Jahren aufgrund der hohen Flexibilität stark an Bedeutung gewonnen. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik werden hohe Anforderungen an die Qualitätskontrolle additiv gefertigter Bauteile gestellt. Teile die mit dem selektiven Laserschmelzen (SLM) hergestellt werden, bilden schon währen des Fertigungsprozesses Poren oder Risse aus. Aus diesem Grund ist die zerstörungsfreie Prüfung jedes Bauteils notwendig. Erste Versuche haben gezeigt, dass die ex-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen mit hochauflösenden MR Sonden möglich ist und dass Fehler im Bereich von einiger µm detektiert werden können. In dem Vortrag wird eine automatisierte in-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen vorgestellt. Für die Prüfung wird eine Vielzahl hochauflösender MR Sensoren verwendet, um die benötige hohe Ortsauflösung bei gleichzeitig kurzer Prüfzeit zu erreichen. Zusätzlich werden klassische Methoden der Signalverarbeitung verwendet, um die Kosten und die Komplexität des Systems trotz hoher Prüffrequenz zu minimieren. Das vorgestellte System kann in der Zukunft helfen automatisiert Prüfberichte zu generieren, den SLM-Prozess zu kontrollieren oder automatisiert Fehlstellen auszuheilen.
Absorption edge tomography is a method which exploits the sudden change of the attenuation coefficient, when the photon energy crosses the absorption edge of an element. The beamline BAM line at BESSY II, which is operated by the Federal Institute for Materials Research and Testing, can provide a monochromatized beam in a photon energy range from 5 keV up to 80 keV with a bandwidth of 2%. Together with the microtomography setup, this enables differential tomography sensitive to any element with N >= 24 (Cr) by using an appropriate K- or L-edge in this range. Here, a polymer filament embedding metal organic framework (MOF) was prepared and used for 3D printing. Absorption edge tomography at the copper K edge was employed to perform a non-destructive 3D characterization of the microstructure of the embedded MOF. Data fusion was then used to determine the size distribution of the embedded MOF.
Absorption edge tomography is a method which exploits the sudden change of the attenuation coefficient, when the photon energy crosses the absorption edge of an element. The beamline BAM line at BESSY II, which is operated by the Federal Institute for Materials Research and Testing, can provide a monochromatized beam in a photon energy range from 5 keV up to 80 keV with a bandwidth of 2%. Together with the microtomography setup, this enables differential tomography sensitive to any element with N >= 24 (Cr) by using an appropriate K- or L-edge in this range. Here, a polymer filament embedding metal organic framework (MOF) was prepared and used for 3D printing. Absorption edge tomography at the copper K edge was employed to perform a non-destructive 3D characterization of the microstructure of the embedded MOF. Data fusion was then used to determine the size distribution of the embedded MOF.
Active thermography is a well suited non-destructive testing method for the challenging inspection of wind rotor blades. Since the GFRP structures are up to some centimetres thick, long pulse heating is required to provide an appropriate energy input into the structure. So far, no best practice exists to guarantee a reliable detection of deep-lying flaws. In this work, a step wedge specimen having a maximum thickness of 34mm is systematically investigated by experiment and well-matched simulations to assess the influence of the experimental parameters, like the absorbed energy, on thermal contrasts. Finally, a scheme to conduct full-scale test of a wind rotor blade in less than three hours is proposed.
Aktuell werden Prozessmonitoringsysteme in der additiven Fertigung (AM) zur Überwachung der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren aus den Bereichen der Optik, Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung bezeichnet, es finden sich aber nur wenige Berichte über konkrete Umsetzungen in die Praxis.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat ein neues Projekt gestartet, dessen Ziel die Entwicklung von Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Bauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen ist. Verschiedene Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, wie Thermografie, optische Tomografie, optische Emissionsspektroskopie, Wirbelstromprüfung und Laminografie werden in verschiedenen AM-Prozessen zum Einsatz gebracht und die Ergebnisse fusioniert. Die evaluierten Ergebnisse werden mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik verglichen. Ziel ist eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion.
Hier wird das Projekt als Ganzes vorgestellt und der Fokus auf verschiedene Methoden der Temperaturmessung mit Hilfe der Thermografie gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und erste experimentelle Ergebnisse werden präsentiert.
Virtual CT acquisition and reconstruction of complex and noisy scanning trajectories in aRTist
(2019)
In modern CT imaging, simulation has become an important tool to minimize cost- and time-intensive measurements. It is increasingly used to optimize techniques for complex applications, to support the preparation of written procedures, and for educational purposes. We extended the CT simulation software ‘aRTist’ with a module to set-up arbitrary trajectories including disturbing influences during the scan. Moreover, such geometric deviations can be compensated by the internal reconstruction tool.
Die Untersuchung von Schallausbreitung in periodischen Strukturen ist aktuell von großem Interesse für eine zielgerichtete Beeinflussung von Schallwellen in einem großen Frequenzbereich. Hierbei liegt der Fokus insbesondere auf den phononische Kristalle (PnK’s), einer periodischen Anordnung von Streuzentren in einer Matrix. PnK’s können neben anderen Anwendungen, wie der Sensoranwendung oder der Nutzung als effektiver Wellenleiter, als Schallisolator dienen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger PnK aus einer periodischen Anordnung von Zylindern untersucht, welcher zur Schallisolation verwendet werden kann. Zunächst wird die Struktur simuliert, dabei wird ein achsensymmetrisches Modell mit einem 3D-Modell verglichen. Im Anschluss wird die simulierte Geometrie gefertigt und vermessen.
Laminography is a widely used NDT technique for large flat object which cannot be investigated by traditional computed tomography. However, due to the limited scanning angle of laminography, the reconstructed image has more artifact interference, which seriously affects the reconstructed image quality. Reducing artifacts of the laminography image and enhancing the images have become important research effort. In this paper, we present dual-energy materials characterization methods based on photon counting detectors to reduce artifacts and enhance image for laminography. The photon counting detector used in this study allows the setting of two independent energy thresholds in order to acquire dual-energy images for laminography from a single scan. The dual energy imaging methods of basis material decomposition (BMD) and weighted logarithmic subtraction (WLS) were studied in the paper with respect to laminography image enhancement. A fast decomposition algorithm on laminographic projection domain with approximating the inverse dual-energy equations to calculate the thickness of basic materials was used in the BMD dual-energy imaging methods. The experimental results show that the BMD method can characterize materials and enhance features of the basic material within the laminographic dataset. In the WLS method, a linear operation was applied on dual-energy images reconstruction directly, which can eliminate the attenuation of one specific material in the resultant image by setting an appropriate weighting factor. In our experiments. WLS method was used successfully to eliminate the strong artifacts generated by the special material and enhance the images. Dual-energy materials characterization methods based on photon counting detectors show potential applications in laminography.
Die Messung von Flüssigkeitskonzentrationen in Rohrsystemen ist von großem Interesse für viele unterschiedliche Anwendungen. Die meisten Messsysteme sind jedoch nicht in der Lage, die Flüssigkeit direkt im Rohr zu untersuchen und es muss eine zusätzliche Vorrichtung, wie z.B. einem Bypass, angebracht werden, welche den Kontakt zwischen Flüssigkeit und Sensor ermöglicht.
Um den Einbauaufwand gering zu halten und die Strömungseigenschaften des Rohres nicht zu beeinflussen, wird ein neuartiges Messsystem entwickelt, welches als Teil der Rohrwand ausgeführt werden kann. Dieses neuartige System ist angelehnt an die Idee der phononischen Kristallen (PnK). PnK’s bestehen im Allgemeinen aus einem Matrixmaterial, in welchem Streuzentren periodisch angeordnet sind. Dies führt beim Eintreffen einer akustischen Welle in definierten Frequenz-bereichen, sogenannter Bandlücken, zu zunehmender destruktiven Interferenz. Wird innerhalb einer solchen Bandlücke durch Einbringen einer flüssigkeitsgefüllten Kavität ein Resonanzverhalten erzeugt, kann dies genutzt werden, um die Flüssigkeit zu analysieren.
Im Rahmen von Voruntersuchung wird zunächst das akustische Verhalten des PnK’s, welcher für die Sensorentwicklung genutzt werden soll, unter Vernachlässigung der Flüssigkeit ausführlich untersucht. Hierbei werden zunächst die Bandlücken ermittelt und das Übertragungsverhalten betrachtet. Dieses wird im Anschluss experimentell überprüft. Hierzu werden neben herkömmlichen Fertigungsverfahren auch additive Verfahren zur Herstellung der Proben genutzt.
The reassessment of bridges is becoming increasingly important. The basic requirement for analyses of structural safety is reliable knowledge about individual structures. This paper introduces the new approach to evaluate the quality of measured data gained from non-destructive testing (NDT) to provide reliable, objective, and relevant information about existing bridges. The purpose is to relate this validated knowledge to probabilistic analyses. Bridging the gap between NDT and numerical reassessments indicates reduced numerical uncertainties and residual service time extensions. This paper deals with an application of this approach using measurement data collected by ultrasonic technique at a prestressed concrete bridge.
Um ein tieferes Verständnis über die Schallemission bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Stahlrohrleitungen zu erlangen, wurde ein Stahlrohr der Güte S355J2H im Vierpunkt-Biegeversuch quasistatisch bis hin zum Wanddurchbruch (Leckage) belastet und mittels Schallemissionsmessung und Gleichstrompotentialmessung überwacht. Das Rohrsegment wurde durch einen 90°- Außenumfangskerb in der Mitte der Rohrlänge definiert vorgeschädigt, um davon ausgehend ein stabiles Risswachstum zu induzieren und die Analyse von Schallemission aus Rissereignissen, die am Kerb eintraten, sicherzustellen. Für die Schallemissionsmessung wurden vier Breitbandsensoren max. 105 mm vom Kerb entfernt montiert. Die Signalaufzeichnung erfolgte kontinuierlich und schwellwertunabhängig. Für die Gleichstrompotentialmessung wurde ein Gleichstrom von 300 A eingeleitet und der Potentialabfall über dem Kerb mit fünf Sonden entlang des Kerbs gemessen. Beide Messverfahren identifizieren die Rissinitiierung sowie Veränderungen im Risswachstum. Die detektierten Schallemissionsereignisse werden, unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften, mit fortschreitender Belastung und Rissentwicklung analysiert. Diese Studien wurden im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts AGIFAMOR, Aging infrastructure - Faseroptisches Monitoring von Rohrleitungen, an der BAM durchgeführt.
Composite-Druckbehälter werden für Speicherung und Transport von Gasen unter hohem Druck verwendet. Durch die gewichtssparende Struktur, die aus einem dünnwandigem Metallgefäß und Faserverbundwerkstoff-Ummantelung besteht, sind solche Behälter insbesondere für die Luftfahrt- und Automobilindustrie interessant, z.B. als Wasserstoffspeicher.
Die Druckprüfung ist ein konventioneller Test, um die Integrität von Metalldruckbehältern zu bewerten. Im Falle des Composite-Druckbehälters könnte eine solche Prüfung jedoch den Faserverbundwerkstoff überbeanspruchen und somit die verbleibende Lebensdauer der getesteten Komponente verringern. Infolgedessen ist es notwendig, Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung und möglicherweise zur Zustandsüberwachung von Composite-Druckbehältern zu entwickeln. Unser Ansatz verwendet geführte Ultraschallwellen und hat das Potenzial, kritische Schäden wie Risse im Metall und Faserbrüche und Matrixrisse in Faserverbundwerkstoff zu detektieren.
In diesem Beitrag wurde die Scaled Boundary Finite Elemente Methode benutzt, um die multimodale, geführte Wellenausbreitung in einem Mehrschichtverbund, der aus Metall und Kohlenfaserverbund entsteht, zu analysieren. Das Verfahren ermöglicht die Identifizierung geeigneter Wellenmoden und die Analyse ihrer Interaktion mit verschiedenen Schäden. Diese Kenntnisse sollen für die Entwicklung von Verfahren zur Zustandsüberwachung von Composite-Druckbehältern angewendet werden.
Um ein tieferes Verständnis über die Schallemission bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Stahlrohrleitungen zu erlangen, wurde ein Stahlrohr der Güte S355J2H im Vierpunkt-Biegeversuch quasistatisch bis hin zum Wanddurchbruch (Leckage) belastet und mittels Schallemissionsmessung und Gleichstrompotentialmessung überwacht. Das Rohrsegment wurde durch einen 90°- Außenumfangskerb in der Mitte der Rohrlänge definiert vorgeschädigt, um davon ausgehend ein stabiles Risswachstum zu induzieren und die Analyse von Schallemission aus Rissereignissen, die am Kerb eintraten, sicherzustellen. Für die Schallemissionsmessung wurden vier Breitbandsensoren max. 105 mm vom Kerb entfernt montiert. Die Signalaufzeichnung erfolgte kontinuierlich und schwellwertunabhängig. Für die Gleichstrompotentialmessung wurde ein Gleichstrom von 300 A eingeleitet und der Potentialabfall über dem Kerb mit fünf Sonden entlang des Kerbs gemessen. Beide Messverfahren identifizieren die Rissinitiierung sowie Veränderungen im Risswachstum. Die detektierten Schallemissionsereignisse werden, unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften, mit fortschreitender Belastung und Rissentwicklung analysiert. Diese Studien wurden im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts AGIFAMOR, Aging infrastructure - Faseroptisches Monitoring von Rohrleitungen, an der BAM durchgeführt.
The lecture gives an overview of the core competencies of the department 8.5 Micro NDT (CT equipment, X-Ray Refraction, WAXS - Texture analysis, Data correction, Reconstruction algorithms, Image analysis, Dimensional control, Multi-Source Data Fusion and Combination, Micromechanical Properties by Neutron Diffraction) with regard to the characterization of lightweight materials (fibre composites, aluminum and titanium MMCs) used in aviation. The focus is on characterization by synchrotron and X-ray refraction techniques as well as computed tomography.
Kurzfassung. Die meisten Faserverbundbehälter, die in Europa für den Transport gefährlicher Stoffe oder als Speicherbehälter für Wasserstoff oder Erdgas in Fahrzeugen Verwendung finden, werden für eine nicht begrenzte Lebensdauer ausgelegt. In regelmäßigen Abständen sind für diese Druckbehälter wiederkehrende Prüfungen vorgeschrieben, die in der Regel aus visuellen Inspektionen und hydraulischen Innendruckprüfungen bestehen. Die wiederkehrenden Prüfungen sind jedoch weder geeignet, die sichere Betriebsdauer festzulegen noch den Alterungszustand der Druckbehälter zu beurteilen. Aufgrund des weiter steigenden Drucks zur Kosten- und Gewichtsreduktion von Faserverbundbehältern und der damit einhergehenden Ausnutzung der existierenden Sicherheitsmargen gewinnen Methoden zur Beurteilung des Alterungsverhaltens dieser Druckbehälter immer mehr an Bedeutung.
Vor diesem Hintergrund wurde in der BAM das Vorhaben „Alterungsverhalten von Composite-Druckgefäßen mit Carbonfaser-Compositen unter gekoppelten Beanspruchungen (COD-AGE)“ gestartet, um die Alterung von Faserverbundbehältern mittels verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren zu untersuchen. Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden an einem Typ 4 Hybridbehälter mit Kunststoffliner gewonnen, in den im Rahmen des Herstellungsprozesses optische Glasfasern in verschiedenen Schichten integriert wurden. Der Behälter wurde mittels hydraulischem Innendruck und erhöhter Umgebungstemperatur zyklisch bis zum Lebensende belastet. Zwischen den einzelnen Lastsequenzen erfolgte eine an die wiederkehrende Prüfung im Betrieb angelehnte hydraulische Druckbelastung.
Sowohl die hydraulische Alterung als auch die Druckrampen wurden mittels Schallemissionsprüfung (SEP) und verteilter faseroptischer Sensorik mit dem Ziel einer frühzeitigen Versagensvorhersage überwacht. Durch die Schallemissionsanalyse sollte untersucht werden, ob zum Lebensende hin ein signifikanter Anstieg der Schallemissionsaktivität und -intensität, unterteilt in verschiedene Lastbereiche, beobachtet werden kann. Zusätzlich zum kontinuierlichen Monitoring der Zyklierung sollten die Druckrampen separat untersucht werden, um hier Potenziale für die wiederkehrende Prüfung zu erkennen.
We present the results of distributed fibre optic strain sensing for condition monitoring of a hybrid type IV composite fully wrapped pressure vessel using multilayer integrated optical fibres. During load cycle tests material fatigue could be localised and monitored 17,000 load cycles before burst. Results have been validated by acoustic emission analysis.
Kurzfassung. Die meisten Faserverbundbehälter, die in Europa für den Transport gefährlicher Stoffe oder als Speicherbehälter für Wasserstoff oder Erdgas in Fahrzeugen Verwendung finden, werden für eine nicht begrenzte Lebensdauer ausgelegt. In regelmäßigen Abständen sind für diese Druckbehälter wiederkehrende Prüfungen vorgeschrieben, die in der Regel aus visuellen Inspektionen und hydraulischen Innendruckprüfungen bestehen [1]. Die wiederkehrenden Prüfungen sind jedoch weder geeignet, die sichere Betriebsdauer festzulegen noch den Alterungszustand der Druckbehälter zu beurteilen. Aufgrund des weiter steigenden Drucks zur Kosten- und Gewichtsreduktion von Faserverbundbehältern und der damit einhergehenden Ausnutzung der existierenden Sicherheitsmargen gewinnen Methoden zur Beurteilung des Alterungsverhaltens dieser Druckbehälter immer mehr an Bedeutung.
Vor diesem Hintergrund wurde in der BAM das orhaben „Alterungsverhalten von Composite-Druckgefäßen mit Carbonfaser-Compositen unter gekoppelten Beanspruchungen (COD-AGE)“ gestartet, um die Alterung von Faserverbundbehältern mittels verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren zu untersuchen. Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden an einem Typ 4 Hybridbehälter mit Kunststoffliner gewonnen, in den im Rahmen des Herstellungsprozesses optische Glasfasern in verschiedenen Schichten integriert wurden. Der Behälter wurde mittels hydraulischem Innendruck und erhöhter Umgebungstemperatur zyklisch bis zum Lebensende belastet. Zwischen den einzelnen Lastsequenzen erfolgte eine an die wiederkehrende Prüfung im Betrieb angelehnte hydraulische Druckbelastung.
Sowohl die hydraulische Alterung als auch die Druckrampen wurden mittels Schallemissionsprüfung (SEP) und verteilter faseroptischer Sensorik mit dem Ziel einer frühzeitigen Versagensvorhersage überwacht. Durch die Schallemissionsanalyse sollte untersucht werden, ob zum Lebensende hin ein signifikanter Anstieg der Schallemissionsaktivität und -intensität, unterteilt in verschiedene Lastbereiche, beobachtet werden kann. Zusätzlich zum kontinuierlichen Monitoring der Zyklierung sollten die Druckrampen separat untersucht werden, um hier Potenziale für die wiederkehrende Prüfung zu erkennen.
Despite of the significant advances in additive manufacturing (AM) process optimization there is still a lack of experimental results and understanding regarding the mechanical behavior and its relationship with the microstructural features of AM-parts, especially in loading conditions typical for safety-relevant applications. Within the scope of the presented ongoing investigations, a basic microstructural characterization, tensile tests at room and elevated temperature (400°C) as well as a characterization of the fatigue behavior of additively manufactured Ti-6Al-4V in the low cycle fatigue regime are carried out in the as-built state. After failure, different techniques are used to describe the failure mechanisms of the specimens. The AM-Specimens are provided by the Fraunhofer institute for production systems and design technology and investigated at the BAM following the philosophy of the TF-Project AGIL.
The Measurement- and Model-based Structural Analysis (MeMoS) integrates a finite element model into least squares adjustment and thus allows to evaluate a mechanical model and measurements in a combined analysis. To examine the capability to detect and localise damage using this integrated analysis MeMoS, a small-scale truss bridge made of aluminium profiles is built as a test specimen for this purpose.
One of the great strengths of X-ray computed tomography over conventional inspection methods (ultrasound, thermography, radiography) is that it can image damage in 3D. However for curved or deformed composite panels, it can be difficult to automatically ascribe the damage to specific plies or inter-ply interfaces. An X-ray computed tomography (CT) data processing methodology is developed to extract the through-thickness distribution of damage in curved or deformed composite panels. The method is applied to [(0°/90°)2]s carbon fibre reinforced polymer (CFRP) panels subjected low velocity impact damage (5 J up to 20 J) providing 3D ply-by-ply damage visualisation and analysis. Our distance transform approach allows slices to be taken that approximately follow the composite curvature allowing the impact damage to be separated, visualised and quantified in 3D on a ply-by-ply basis. In this way the interply delaminations have been mapped, showing characteristic peanut shaped delaminations with the major axis oriented with the fibres in the ply below the interface. This registry to the profile of the panel constitutes a significant improvement in our ability to characterise impact damage in composite laminates and extract relevant measurements from X-ray CT datasets.
Nominal-actual comparisons are routinely performed to compare a manufactured specimen to a reference specimen. X-ray Computed Tomography (CT) has brought a profound change in the way that tolerance verifications are performed in industry, by allowing the inner and outer geometries of an object to be measured, without the need for external access or destructive testing. As a results, CT is increasingly used in additive manufacturing applications, where a nominal-actual comparison performed between the digital model (CAD file), used as an input for the 3D printer, and the CT volume from the printed part, can provide invaluable information as to the accuracy of the printing process. However, the nominal-actual comparison process is somewhat different when applied to additively manufactured specimens by comparison to conventionally manufactured specimens.
Nominal-actual comparisons are routinely performed to compare a manufactured specimen to a reference specimen. X-ray Computed Tomography (CT) has brought a profound change in the way that tolerance verifications are performed in industry, by allowing the inner and outer geometries of an object to be measured, without the need for external access or destructive testing. As a results, CT is increasingly used in additive manufacturing applications, where a nominal-actual comparison performed between the digital model (CAD file), used as an input for the 3D printer, and the CT volume from the printed part, can provide invaluable information as to the accuracy of the printing process. However, the nominal-actual comparison process is somewhat different when applied to additively manufactured specimens by comparison to conventionally manufactured specimens.
The project ProMoAM is presented. The goal of the project is to evaluate which NDT techniques or combination of techniques is suited for in-situ quality assurance in additive manufacturing of metals. To this end, also 3d-data fusion and visualization techniques are applied. Additional ex-situ NDT-techniques are used as references for defect detection and quantification. Feasability studies for NDT-techniques that are presently not applicable for in-situ use are performed as well.
The presentation gives a brief overview of the whole project and the different involved NDT-techniques.
In this study, the optimized fabrication and evolution of the microstructure and magnetic Transition behavior of the melt-extraction LaFe11.2Si1.8 microwires have been studied. After the optimization of extraction technique (heating power 22 KW, feeding rate 30-50 mm/s, rotation velocity 1700 r/min), the content of La Fe,Si)13 phase in the as-extracted microwires was 54 wt% due to the high solidification velocity, which was increased to 85 wt% via annealing at 1373 K for 20 min. The amount of La(Fe,Si)13 phase was increased and the composition of La(Fe,Si)13 phase became more homogenized through peritectic reaction and short-distance diffusion in the microwires during annealing process. The coexistence of the nanocrystalline and amorphous structures contributed to the broad magnetic Transition temperature range of the as-extracted and annealed microwires. The annealed microwires exhibited a second-order magnetic transformation behavior and showed a maximum magnetic entropy Change jDSMjmax of 6.2 J/kgK and working temperature interval of 36.0 K under a magnetic field of 20 kOe.
Composite-Druckgefäße für den Gefahrguttransport sowie für Wasserstoff- und Erdgasfahrzeuge bestehen aus einem lasttragenden Composite und einer gasdichten, metallischen oder polymeren Barriereschicht (Liner). Zur Untersuchung des Alterungsverhaltens solcher Composite-Druckgefäße wurde in der BAM das interdisziplinäre Themenfeldprojekt COD-AGE durchgeführt. Ziel des Projektes war die Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung und Bestimmung des Alterungsverhaltens von Carbonfaser-Compositen am Beispiel von Druckgefäßen, um eine bessere Vorhersage der Alterung und der sicheren Gebrauchsdauer zu ermöglichen. Ein Schwerpunkt in diesem Projekt war die Bereitstellung geeigneter ZfP-Methoden. Dabei ging es sowohl um versuchsbegleitende Prüfungen, als auch um die mögliche Entwicklung von Prüfeinrichtungen für den späteren praktischen Gebrauch.
In dem Vortrag werden Prüfergebnisse der alterungsbegleitenden Wirbelstromprüfung an Composite-Druckgefäßen vorgestellt.
In Alterungsversuchen wurden Druckgefäße aus einem ca. 4 mm dicken Aluminiumliner und ca. 8 mm dicker CFK-Ummantelung untersucht. Typisches Einsatzgebiet solcher Druckgefäße sind Atemschutzgeräte der Feuerwehr. Die Druckgefäße wurden sowohl mit konventioneller Wirbelstromtechnik von außen und von innen als auch mit hochfrequenter Wirbelstromtechnik von außen geprüft. Es konnten sowohl Beschädigungen des metallischen Liners, als auch Strukturen des CFK-Geflechts nachgewiesen werden. Eine besondere mechanische Herausforderung bestand in der Prüfung der Innenseite der Liner, da hier eine zylindrische Fläche mit einem Innendurchmesser von 150 mm durch einen Zugang von nur 15 mm Durchmesser geprüft werden muss.
Composite-Druckgefäße für den Gefahrguttransport sowie für Wasserstoff- und Erdgasfahrzeuge bestehen aus einem lasttragenden Composite und einer gasdichten, metallischen oder polymeren Barriereschicht (Liner). Zur Untersuchung des Alterungsverhaltens solcher Composite-Druckgefäße wurde in der BAM das interdisziplinäre Themenfeldprojekt COD-AGE durchgeführt. Ziel des Projektes war die Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung und Bestimmung des Alterungsverhaltens von Carbonfaser-Compositen am Beispiel von Druckgefäßen, um eine bessere Vorhersage der Alterung und der sicheren Gebrauchsdauer zu ermöglichen. Ein Schwerpunkt in diesem Projekt war die Bereitstellung geeigneter ZfP-Methoden. Dabei ging es sowohl um versuchsbegleitende Prüfungen, als auch um die mögliche Entwicklung von Prüfeinrichtungen für den späteren praktischen Gebrauch.
In dem Vortrag werden Prüfergebnisse der alterungsbegleitenden Wirbelstromprüfung an Composite-Druckgefäßen vorgestellt.
In Alterungsversuchen wurden Druckgefäße aus einem ca. 4 mm dicken Aluminiumliner und ca. 8 mm dicker CFK-Ummantelung untersucht. Typisches Einsatzgebiet solcher Druckgefäße sind Atemschutzgeräte der Feuerwehr. Die Druckgefäße wurden sowohl mit konventioneller Wirbelstromtechnik von außen und von innen als auch mit hochfrequenter Wirbelstromtechnik von außen geprüft. Es konnten sowohl Beschädigungen des metallischen Liners, als auch Strukturen des CFK-Geflechts nachgewiesen werden. Eine besondere mechanische Herausforderung bestand in der Prüfung der Innenseite der Liner, da hier eine zylindrische Fläche mit einem Innendurchmesser von 150 mm durch einen Zugang von nur 15 mm Durchmesser geprüft werden muss.
µCT is used to validate the capability of online monitoring for in-situ detection of defects during the L-PBF build process, which is a focus of the TF project ProMoAM.
Our first experiments show that online monitoring using thermography and optical tomography cameras are able to detect defects in the built part. But further research is needed to understand root cause of the correlation.
The Influence of the Temperature Gradient on the Distribution of Residual Stresses in AM AISI 316L
(2019)
Steep temperature gradients and solidification shrinkage are the main contributors to the formation of residual stresses in additively manufactured metallic parts produced by laser beam melting. The aim of this work was to determine the influence of the temperature gradient.
Diffraction results show a similar pattern for both specimens, indicating the shrinkage to be more dominant for the distribution of residual stresses than the temperature gradient. Thermography results imply that a higher energy input result in higher compressive residual stresses in the bulk.
The characterisation of AM structures is an important aspect of the AM process, required in order to:
1. optimise the AM printing process
2. assess the quality of produced parts
A wide range of characterisation techniques are available, and the selection can be complex, based on multiple factors.
One output from the MetAMMi project is a good practice guide on the correct choice of characterisation technique.
The introduction of the 5G technology and automotive radar applications moving into higher frequency ranges trigger further miniaturization of LTCC technology (low temperature co-fired ceramics). To assess dimensional tolerances of inner metal structures of an industrially produced LTCC multilayer, computer tomography (CT) scans were evaluated by machine learning segmentation.
The tested multilayer consists of several layers of a glass ceramic substrate with low resistance silver-based vertical interconnect access (VIA). The VIAs are punched into the LTCC green tape and then filled with silver-based pastes before stacking and sintering. These geometries must abide by strict tolerance requirements to ensure the high frequency properties.
This poster presents a method to extract shape and size specific data from these VIAs. For this purpose, 4 measurements, each containing 3 to 4 samples, were segmented using the trainable WEKA segmentation, a non-commercial machine learning tool. The dimensional stability of the VIA can be evaluated regarding the edge-displacement as well as the cross-sectional area. Deviation from the ideal tubular shape is best measured by aspect ratio of each individual layer. The herein described method allows for a fast and semi-automatic analysis of considerable amount of structural data. This data can then be quantified by shape descriptors to illustrate 3-dimensional information in a concise manner. Inter alia, a 45 % periodical change of cross-sectional area is demonstrated.
High-density polyethylene becomes optically transparent during tensile drawing when previously saturated with diesel fuel. This unusual phenomenon is investigated as it might allow conclusions with respect to the material behavior. Microscopy, differential scanning calorimetry, density measurements are applied together with two scanning X-ray scattering techniques: wide angle X-ray scattering (WAXS) and X-ray refraction, able to extract the spatially resolved crystal orientation and internal surface, respectively. The sorbed diesel softens the material and significantly alters the yielding characteristics. Although the crystallinity among stretched regions is similar, a virgin reference sample exhibits strain whitening during stretching, while the diesel-saturated sample becomes transparent. The WAXS results reveal a pronounced fiber texture in the tensile direction in the stretched region and an isotropic orientation in the unstretched region. This texture implies the formation of fibrils in the stretched region, while spherulites remain intact in the unstretched parts of the specimens. X-ray refraction reveals a preferred orientation of internal surfaces along the tensile direction in the stretched region of virgin samples, while the sample stretched in the diesel-saturated state shows no internal surfaces at all. Besides from stretching saturated samples, optical transparency is also obtained from sorbing samples in diesel after stretching.
For metal-based additive manufacturing, sensors and measuring systems for monitoring of the energy source, the build volume, the melt pool and the component geometry are already commercially available. Further methods of optics, spectroscopy and non-destructive testing are described in the literature as suitable for in-situ application, but there are only a few reports on practical implementations.
Therefore, a new BAM project aims to develop process monitoring methods for the in-situ evaluation of the quality of additively manufactured metal components. In addition to passive and active thermography, this includes optical tomography, optical emission and absorption spectroscopy, eddy current testing, laminography, X-ray backscattering and photoacoustic methods. These methods are used in additive manufacturing systems for selective laser melting, laser metal deposition and wire arc additive manufacturing. To handle the sometimes huge amounts of data, algorithms for efficient preprocessing are developed and characteristics of the in-situ data are extracted and correlated to defects and inhomogeneities, which are determined using reference methods such as computer tomography and metallography. This process monitoring and fusion of data of different measurement techniques should result in a significant reduction of costly and time-consuming, destructive or non-destructive tests after the production of the component and at the same time reduce the production of scrap.
Here, first results of simultaneous measurements of optical emission spectroscopy and thermography during the laser metal deposition process using 316L as building material are presented. Temperature values are extracted from spectroscopic data by fitting of blackbody emission spectra to the experimental data and compared with results from a thermographic camera. Measurements with and without powder flow reveal significant differences between welding at a pristine metal surface and previously melted positions on the build plate, illustrating the significant influence of the partial oxidation of the surface during the first welding process on subsequent welding. The measurement equipment can either be mounted stationary or following the laser path. While first results were obtained in the stationary mode, future applications for online monitoring of the build of whole parts in the mobile mode are planned.
This research was funded by BAM within the focus area Material.
19th and 20th centuries glass paint layers consist of a colour body and a colourless lead silicate flux, in which borax or boric acid was added as further component to improve the paint ability and to reduce the firing temperature for multiple layers of paint. Model glasses were used in laboratory tests to investigate the stability of glass paints with additions of boron oxide. To determine boron in paint layers, a LIBS-system with pulsed NdYAG-laser was used.
This talk presents a new application for high-spatial resolution eddy current testing (ET) with magneto resistive (MR) sensor arrays. With rising popularity and availability of additive manufacturing (AM), companies mainly in the aerospace sector, set high requirements on quality control of AM parts, especially produced with selective laser melting (SLM). Since it was shown that those parts are prawn to flaws like pores or cracks, every part needs to be tested. Therefore, NDT Methods, like ET, could help to characterize SLM parts. Research on ET has shown, that offline ET with high spatial resolution MR sensor arrays is possible and that flaws as small as 50 µm could be detected while significantly reducing testing time. In this talk a first approach on automated online ET method for testing SLM parts is proposed. An approach with hundreds of MR sensor is made to maintain spatial resolution and short testing times. Classic signal conditioning methods are used to reduce cost and complexity while maintaining high testing bandwidths. The proposed idea enables further research on automated generation of testing reports, process control or automated flaw curing.
The present work is intended to make a contribution to the monitoring of civil engineering structures. The detection of damage to structures is based on the evaluation of spatially and temporally distributed hybrid measurements. The acquired data can be evaluated purely geometrically or physically. It is preferable to do the latter, since the cause of damage can be determined by means of geometrical-physical laws in order to be able to intervene in time and ensure the further use of the structures. For this reason, the continuum mechanical field equations in conjunction with the finite element method and hybrid measurements are combined into a single evaluation method by the adjustment calculation. This results in two challenges.
The first task deals with the relationship between the finite element method and the method of least squares. The finite element method solves certain problem classes, which are described by a system of elliptical partial differential equations. Whereas the method of least squares solves another class of problems, which is formulated as an overdetermined system of equations. The striking similarity between both methods is known since many decades. However, it remains unresolved why this resemblance exists. The contribution is to clarify this by examining the variational calculus, especially with regard to its methodological procedure. Although the well-known Gauss-Markov model within the method of least squares and the finite element method solve inherently different problem classes, it is shown that both methods can be derived by following the same methodological steps of the variational calculus. From a methodical viewpoint, this implies that both methods are not only similar, but actually the same. In addition, it is pointed out where a possible cross-connection to other methods exists.
The second task introduces a Measurement- and Model-based Structural Analysis (MeMoS) by integrating the finite element method into the adjustment calculation. It is shown in numerical examinations how this integrated analysis can be used for parameter identification of simple as well as arbitrarily shaped structural components. Based on this, it is examined with which observation types, with which precision and at which location of the structure these measurements must be carried out in order to determine the material parameters as precisely as possible. This serves to determine an optimal and economic measurement set-up. With this integrated analysis, a substitute model of a geometrically complex structure can also be determined. The issue of the detection and localisation of damage within a structure is studied by means of this structural analysis. The Measurement and Model-based Structural Analysis is validated using two different test setups, an aluminum model bridge and a bending beam.
By means of a small-scale truss bridge, the ability of the Measurement- and Model-based Structural Analysis to detect and localize damage was examined. Although there was no noteworthy difficulty in detecting damage, it turned out that damage localization responds sensitively to systematic influences, i.e. non-modelled properties of the mechanical model. Therefore, another experiment is being conducted to re-examine the Measurement- and Model-based Structural Analysis. For this purpose, the bending test is carried out as it has been already theoretically respectively numerically discussed. In this attempt, the systematic influences such as residual stress are kept as low as possible.