Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Seitens der Industrie besteht großes Interesse, Polyethylenterephthalat (PET) als Werkstoff für Verpackungen zum Transport von Gefahrgütern einzusetzen, da aufgrund der hohen Fes-tigkeit und Steifigkeit von PET die Wanddicken und somit die Kosten der Verpackungen reduziert werden können. Die Prüfung der Spannungsrissbeständigkeit von Polyethylenformstoffen als Werkstoffe von Verpackungen erfolgt mit Labormethoden unter Verwendung einer Standardflüssigkeit als Prüfmedium für die Spannungsrisse auslösende Wirkung auf Polyethylen (PE), wodurch Zeit und Kosten der Prüfungen reduziert werden.
Ziel dieser Arbeit war es, eine Laborprüfmethode zum Vergleich der Spannungsrissbeständigkeit von PE und PET auf ihre Anwendbarkeit zu prüfen, wie z.B. den Full Notch Creep Test (FNCT). Es wurde untersucht, ob die Prüfkörper aus PE und PET mit umlaufender Kerbe in dieser durch die chemische Industrie entwickelten und von der BAM konzipierten Apparatur auf der Basis des FNCT zu messbaren Ergebnissen unter Einfluss eines Ölsäureamidethoxylates als Netzmittel bei 50 °C führen.
Die Testergebnisse bestätigten die Eignung des Prüfverfahrens für die acht eingesetzten Formstoffe aus PE. Dieses Prüfverfahren konnte nicht für PET angewandt werden, da die Prüfkörper aufgrund der hohen Festigkeit und Steifigkeit des PET beim Kerbvorgang zerbrachen. Die gleiche Aussage konnte für den Nachweis der der Spannungsrissbeständigkeit von Verpackungen, der in der BAM Gefahrgutregel BAM-GGR 015 beschrieben wird, getroffen werden. Die einzige Möglichkeit zum Nachweis der Spannungsrissbeständigkeit von PET besteht in der Durchführung von Stapeldruckprüfungen.
Im deutschen Bundesautobahnnetz treten vor allem an den vor 2005 errichteten Betonfahrbahndecken vermehrt Schäden auf, die mit einer AKR in Verbindung gebracht werden. Sie äußern sich zunächst in einer Dunkelfärbung in den Fugenbereichen der Betonfahrbahndecke. Oft wird diese Erscheinung von einer von der Fuge ausgehenden horizontalen Rissbildung parallel zur Fahrbahnoberfläche begleitet. Durch den Einsatz der NMR-Technik konnte erstmals zerstörungsfrei der erhöhte Feuchtegehalt in der Betonrandzone als Ursache für diese Erscheinung nachgewiesen werden. Zusätzlich durchgeführte Radaruntersuchungen und Darr-Wäge-Versuche zeigten, dass die erhöhte Durchfeuchtung in der Betonrandzone in der Regel den gesamten Fahrbahnquerschnitt erfasst. Weiterhin wurde aufgezeigt, dass vor allem die akustischen Verfahren eine zerstörungsfreie Detektion der von der Fuge ausgehenden lateralen Ausdehnung der oberen Rissebene in die Fahrbahnplatte ermöglichen. Im Gegensatz zum Impakt-Echo-Verfahren erlaubt das Ultraschall-Echo-Verfahren zusätzlich die Ermittlung der Tiefenlage der oberen Rissebene. Es wird eine weitere Ertüchtigung der akustischen Verfahren für die Strukturaufklärung in Betonfahrbahndecken angeregt.
Die im Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse zeigen konkrete technische Lösungen für die automatisierte Anwendung des MSG Engspaltschweißen, sowohl mittels optischer als auch prozessorientierter Sensorik, und sprechen damit ein breites Spektrum möglicher Anwender, insbesondere KMU, an.
Die Seitenführung des Brenners auf Basis der optischen Messgrößen stellt eine robuste und einfach zu implementierende Möglichkeit zur Nahtverfolgung dar. Für die Höhenführung über der Schweißnaht wurde neben der Lösung mittels optischer Messverfahren zusätzlich eine direkt darauf aufbauende Möglichkeit zur Implementierung eines Lichtbogensensors abgeleitet. Das Vorgehen konnte sowohl für Sprühlichtbogenprozesse als auch bei Verwendung von Impulslichtbogenprozessen erfolgreich angewendet werden.
Die zur Sicherstellung eines gleichmäßigen Flankeneinbrandes entwickelte Pendelregelung ist ebenfalls für unterschiedliche Lichtbogenarten einsetzbar und muss vom Anwender auch beim Einsatz einer großen Bandbreite unterschiedlicher Prozessparameter nahezu nicht konfiguriert werden. Neben der im Rahmen der Verfahrensprüfung untersuchten Pendelraupentechnik konnte die Übertragbarkeit des Vorgehens auch auf die Strichraupentechnik anhand von gezielten Schweißversuchen aufgezeigt werden.
Die zunächst auf Basis der optischen Messwerte ausgelegte Füllgradregelung konnte die vorgesehenen Spaltvariationen von 18 bis 24 mm im Rahmen der durchgeführten Verfahrensprüfung ausgleichen. Die Ableitung eines äquivalenten Lichtbogensensors durch Kopplung beider Messprinzipien wurde am Laufzeitende des Vorhabens aufgezeigt, konnte jedoch durch zeitliche Beschränkung nicht für die Verfahrensprüfung berücksichtigt werden.
In Absprache mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurde die Entwicklung der Prozessregelung für das Vorhaben auf Schweißungen in Wannenlage und Grundwerkstoffe der Güte S355J2 beschränkt.
Die Qualifizierung des Verfahrens unter Einsatz der beschriebenen Regelalgorithmen nach DIN EN ISO 15614-1 konnte für alle betrachteten Spaltbreiten zwischen 18 und 24 mm anhand einer 50 mm dicken Demonstratorprobe nachgewiesen werden.
Der Vortrag gibt einen Überblick zu aktuellen Projektaktivitäten im BAM-Fachbereich 6.4 Technologien mit Nanowerkstoffen. Der Einsatz von Femtosekunden-Laserpulsen zur Mikro- und Nanostrukturierung, für Prozessschritte in der Photovoltaik und zur Reinigung und Dekontamination von Oberflächen wird beschrieben. Darüber hinaus werden Laser-Zerstörschwellenmessungen erläutert.
Mittels Wärmebehandlung lassen sich die hervorragenden Eigenschaften von UHFB nochmals verbessern. Die für eine optimale Umsetzung relevanten Randbedingungen werden aktuell in der Fachwelt diskutiert. In dieser Veröffentlichung werden die Ergebnisse eines Forschungsprojekts vorgestellt, das die Wirkung verschiedener Einflussgrößen bei der Wärmebehandlung auf die Eigenschaften von UHFB zum Thema hatte. Dabei wurden die Art des Schutzes gegen das Austrocknen, die Vorlagerungszeit und die Haltezeit variiert. Um die zugrunde liegenden Prozesse zu verstehen, wurde der Phasenbestand mittels Röntgendiffraktometrie untersucht. Die höchsten Druckfestigkeiten des UHFB ließen sich bei einer Wärmebehandlung mit Wasserlagerung erzielen, da hierbei eine weitere Hydratation begünstigt wird. Vergleichsweise niedriger waren die Steigerungen bei einer Behandlung mit Schutz vor Austrocknung, während eine ungeschützte Behandlung zu deutlich geringeren Festigkeiten führte. Die Vorlagerungszeit beträgt im Idealfall einige Tage, um die Ausbildung eines offenbar günstigen Ausgangsgefüges sicherzustellen. Die Haltezeit sollte möglichst ausgedehnt sein, weil die Hydratation entsprechend lange gefördert wird. Im oberflächennahen Bereich war unter bestimmten Bedingungen eine Zonierung zu beobachten, deren Ursachen und Folgen, insbesondere in Bezug auf die Dauerhaftigkeit, weitere Forschung erfordern.
Der Vortrag widmet sich der Validierung der Verbundfestigkeit von optischen Schicht-/Substrat-systemen mittels Zentrifugentechnologie und diskutiert Versagensbilder und gemessene Werte der Verbundfestigkeit ausgewählter feinoptischer bzw. ophtalmischer Schichten in Abhängigkeit von den plasto-elastischen Eigenschaften und der Dicke der Substrate.
In dem Projekt sollten die Aufbereitung der Betonbrechsandfraktion aus Bauschutt mittels eines Nassverfahrens zu einer geeigneten Gesteinskörnung für die Betonherstellung sowie die vollständige Verwertung der bei diesem Verfahren anfallenden Reststoffe demonstriert werden.
Der im Rahmen der geordneten Vorsortierung mit zahlreichen Schritten zur Qualitätssicherung hergestellte Betonbrechsand war qualitativ hochwertig und wies nur geringe Schadstoffgehalte auf. Für die Nassaufbereitung des Betonbrechsands wurde vom Projektpartner Allmineral der Prototyp einer Sandsetzmaschine zur Dichtetrennung designt und konstruiert. Diese Sandsetzmaschine wurde für die umfangreichen Betonbrechsandversuche in die Aufbereitungsanlage der BAM integriert. Begleitend zur Aufbereitung wurden die eingesetzten Materialien, Bauschutt und Prozesswasser, sowie die Austragsprodukte chemisch-physikalisch und mineralogisch untersucht.
Die anschließenden Baustoffuntersuchungen zeigten, dass durch das im Demonstrationsprojekt angewandte Nassaufbereitungsverfahren eine deutliche Verbesserung der Materialeigenschaften des Betonbrechsandes erzielt werden konnte. Die Qualität von Natursteinkörnungen wurde (z.B. aufgrund von Kornschädigungen durch den Bruch des Altbetons und noch verbleibende Zementanhaftungen) gleichwohl nicht erreicht. Gerade die Betonprüfungen (mit Anteilen von bis zu 50% Betonbrechsand an der gesamten Gesteinskörnung) haben jedoch gezeigt, dass es dennoch sehr wohl möglich wäre, größere Mengen von aufbereitetem Betonbrechsand in der Betonherstellung zu verwerten und so im Sinne der Nachhaltigkeit den Verbrauch von natürlichen Sandvorkommen zu reduzieren.
Die bei der Nassaufbereitung des Betonbrechsands anfallenden Restsstoffe, nämlich die Fraktionen Leichtgut und Feinstfraktion wurden separat erfasst und bilanziert. Diese Materialien wurden auf die Eignung als Kompostzugabe in Hinblick auf Schadstoffanreicherungen und Pflanzenverträglichkeit untersucht (Projektpartner Deisl). Nach der Kompostierung in Rotteboxen wurden Wachstumsversuche mit dem Referenzgewächs Kresse (Kressetest nach ÖNORM) mit zufriedenstellenden Ergebnissen durchgeführt. Die Reststoffe Feinstgut und Leichtgut aus dem Nassaufbereitungsprozess könnten – sofern die Schadstoffgehalte nachweislich unter den vorgegebenen Grenzwerten liegen – als Zugabe zur Vererdung in der Kompostierung eingesetzt werden.
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.
Die transiente nichtlineare 3D-Wärmeleitungsgleichung wurde zur numerischen Lösung mittels der Finite-Elemente-Methode im Ort und mittels explizitem Eulerschema in der Zeit diskretisiert. Der resultierende Algorithmus wurde in ein Computerprogramm überführt wobei besonderer Wert auf paralleles Rechnen gelegt wurde. Das Programm wurde auf die numerische Berechnung eines schweißtypischen transienten Temperaturfelds angewandt. Die Rechenzeit und Skalierbarkeit des Computerprogramms bezüglich der Anzahl verwendeter CPU Kerne wurde untersucht und mit dem kommerziellen FEM Programm Abaqus 6.14 verglichen. Die Anwendung der expliziten Zeitintegration resultiert in verbesserter Skalierbarkeit bezüglich der Anzahl verwendeter CPU Kerne und Rechenzeitersparnis gegenüber der in Abaqus implementierten impliziten Zeitintegrationsmethode.