Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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In der automatisierten Ultraschallprüfung von Komponenten mit komplexen Oberflächengeometrien werden zur Führung des Prüfkopfes zunehmend 6-Achsen-Roboter erprobt. Diese stellen die notwendige Automatisierbarkeit und Flexibilität bereit, um die lokal senkrechte Einschallung sicherzustellen. Durch den Einsatz von linearen Arrays und bildgebenden Verfahren können die Bilder oder die daraus extrahierten Merkmale zu einer Rekonstruktion in 3D zusammengesetzt werden. Die Anforderungen an die Prüfbahnen für die bildgebende Array-Ultraschallprüfung gehen dabei über konventionellen Bahnplanungsprogramme hinaus. Es wird ein Prozess vorgestellt, der Roboterbahnen auf der Grundlage des 3D-Modells von Körpern mit doppelt gekrümmter Oberfläche unter Berücksichtigung der Prüfparameter erzeugt. Hierbei wird zum einen die senkrechte Prüfkopfstellung und zum anderen eine optimale Abdeckung der Oberfläche realisiert. Dabei wird die lokale Oberflächengeometrie beachtet, da diese das Reflexionsverhalten beeinflusst und sich daher auf die optimale Verteilung und Orientierung der Prüfpositionen auswirkt. Damit einhergehend erfolgt eine Ablösung von konventionellen Konzepten, die auf linearen Prüfbahnen basieren, welches spannende neue Prüfstrategien eröffnet.
Im Rahmen des Projektes MRO2.0, das sich mit der digitalen Transformation des Servicezyklus von modernen Gasturbinenschaufeln beschäftigt, wurde gezeigt, wie sich automatisiert und flächendeckend die (Rest-)Wanddicke an variabel gekrümmten Prüfgeometrien bestimmen lässt. Es wurde ein Roboterarm verwendet, der ein lineares Ultraschallarray in Tauchtechnik führt und Prüfdaten aufnimmt, die mit einer adaptierten TFM (Total Focusing Method) zu Rekonstruktionen der Außen- und Innenoberfläche verarbeitet werden. In der aktuellen zweiten Projektphase wird die Methode für Werkstoffe erweitert, die anisotrope akustische Eigenschaften aufweisen. In diesem Beitrag wird eine Methode vorgestellt, wie sich die Kristallausrichtung bzw. die richtungsabhängige Schallgeschwindigkeit mittels eines linearen Ultraschallarrays bestimmen lässt. Für den Sendefall eines Randelements in Kontakttechnik können dabei Wellen identifiziert werden, die sich parallel zur Prüfkopfapertur im Prüfobjekt ausbreiten und mit der richtungsabhängigen Schallgeschwindigkeit skalieren. Die ermittelte Schallgeschwindigkeitsverteilung kann dann verwendet werden, um die lokale Wanddickenbestimmung für die Anisotropie zu adaptieren.
Die additive Fertigung mittels Schweißverfahren bietet große ökonomische Vorteile für eine ressourceneffiziente Bauteilherstellung. Offene Fragen bezüglich Homogenität, Anisotropie der Schweißgefüge und den damit verbundenen Bauteileigenschaften stehen einer wirtschaftlichen Verarbeitung oftmals im Wege. Finale Bauteilgeometrie und Oberflächengüte erfordern meist komplementäre subtraktive Fertigungsschritte. Werkstoffe für hochbelastbare Komponenten sind oftmals schwer spanbar. In einem Vorhaben der BAM und des ISAF wurde untersucht, wie die Modifikation der AM-Schweißzusätze und das ultraschallunterstützte Fräsen (US) die Zerspanungssituation verbessern. Der vorliegende Artikel stellt wesentliche Zusammenhänge zwischen Legierung, Gefüge und Zerspanung zweier schwer spanbarer Hochleistungslegierungen (FeNi und CoCr) dar. Großes Potenzial zeigte neben dem US die Modifikation mit Zr und Hf bei Zulegierung in das Schweißgut mittels Beschichtung von Massivdrähten bzw. Herstellung von Fülldrähten.
Im Projekt GlasDigital sollen digitale Werkzeuge für die Hochdurchsatzentwicklung neuartiger Glaswerkstoffe erarbeitet werden. Dies soll durch die Kombination robotischer Syntheseverfahren mit selbstlernenden Maschinen und ihre Einbindung in eine Ontologie-basierte digitale Infrastruktur realisiert werden.
GlasDigital
(2023)
Unter Passivität versteht man den Korrosionsschutz durch dünne, festhaftende Schichten aus Korrosionsprodukten. Für den schadensfreien Einsatz nichtrostender Stähle ergeben sich daraus zwei grundsätzliche Anforderungen.
Erstens muss sich die Passivschicht vollständig ausbilden können. Dabei sind die Oberflächenausführung, die mechanische Bearbeitung, die Elementverteilung, Ausscheidungen, die Wärmeeinbringung z.B. bei der schweißtechnischen Verarbeitung, Anlauffarben, sowie die chemische Nachbehandlung bzw. Konditionierung der Oberflächen von großer Bedeutung. Zweitens muss die Repassivierung von Defektstellen unter den Einsatzbedingungen möglich sein. Für das Repassivierungsvermögen sind die Legierungszusammensetzung, mögliche kritische Betriebszustände, prozessbedingte Besonderheiten, wie etwa Stagnationsbedingungen und Reinigungsprozesse von Bedeutung.
Metallbasierte additive Fertigungsverfahren werden zunehmend industriell zur Anfertigung von komplex geformten Komponenten eingesetzt. In diesem Zusammenhang ist das Laser-Pulverbettschweißen von Metall (PBF-LB/M) ist ein weitläufig genutztes Verfahren. Im PBF-LB/M-Prozess werden lagenweise aufgetragene Metallpulverschichten selektiv mittels eines Lasers aufgeschmolzen. Die Entstehung von internen Fehlstellen (bspw. Porosität, Lunker oder Risse) während des Fertigungsvorgangs stellt ein ernstzunehmendes Risiko für die Bauteilsicherheit und somit für die weitere industrielle Etablierung des Verfahrens dar. Die Entstehung von Fehlstellen hängt eng mit lokalen Änderungen der thermischen Historie des Bauteils zusammen. Mit Hilfe von thermografischen Kameras zur Prozessüberwachung kann die thermische Historie bereits während der Fertigung erfasst werden. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, die Entstehung von Fehlstellen anhand der thermografischen Daten vorherzusagen und somit potenziell Kosten für eine nachgelagerte Qualitätssicherung einzusparen.
In diesem Beitrag soll die Modellierung der Fehlstellenvorhersage anhand thermografischer Prozessdaten diskutiert werden. Hierbei liegt ein Schwerpunkt auf der Fragestellung, mit welcher Genauigkeit unterschiedliche Formen von Fehlstellen, im speziellen Anbindungsfehler und Keyhole-Porosität, auf lokaler Bauteilebene vorhergesagt werden können. Weiterhin werden verschiedenen Modelltypen aus dem Bereich des Maschinellen Lernens auf ihre Eignung für die Fehlstellenvorhersage verglichen. Ein weiterer zentraler Aspekt in diesem Zusammenhang ist die Untersuchung der Eingangsdaten des Modells auf ihre Relevanz für das Vorhersageergebnis.
Als Datengrundlage für die durchgeführten Untersuchungen dienen die Fertigungsprozesse von zwei identischen Haynes-282-Bauteilen (Nickel-Basislegierung), welche mit Hilfe einer im kurzwelligen Infrarotbereich arbeitenden Thermografiekamera überwacht wurden. Das Bauteildesign umfasste lokale Bereiche, in denen mit Hilfe einer Parametervariation die Entstehung von Fehlstellen forciert wurde. Um die Position und Größe der entstandenen Defekte zu quantifizieren, wurden beide Bauteile nach erfolgter Fertigung mittels Computertomografie (CT) geprüft. Im Rahmen der Datenvorbereitung für die Modellierung erfolgte eine Reduzierung der erhobenen Thermogramme zu physikalisch-interpretierbaren Merkmalen (bspw. Schmelzbadfläche oder Zeit-über-Schwellwert). Weiterhin erfolgte eine Registrierung der thermografischen Daten mit den Fehlstellen-Referenzdaten der CT, um eine exakte örtliche Überlagerung von thermischer Information und lokalem Fehlstellenbild zu erzielen. Zur Ermöglichung einer lokalen Fehlstellenvorhersage wurden die thermografischen Daten schichtweise in kleinteiligen Volumina angeordnet, welche als Eingangsgröße für die genutzten ML-Algorithmen dienten.
Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass sich die Porosität auf Bauteilschichtebene mit einer hohen Genauigkeit vorhersagen lässt. Eine Vorhersage der Porosität auf lokaler Bauteilebene erweist sich noch als herausfordernd. Die erprobten ML-Algorithmen zeigen vergleichbare Ergebnisse, obwohl ihnen unterschiedliche Modellierungsannahmen zugrunde liegen und sie variierende Komplexität aufweisen. Mit Hilfe der erzielten Erkenntnisse eröffnet sich die Möglichkeit, Rückschlüsse auf die gewählte Prozessüberwachungshardware und Datenvorverarbeitung zu ziehen und somit langfristig die Leistungsfähigkeit von Modellen zur Fehlstellenvorhersage zu verbessern.
Die thermische Historie beim additiven Aufbau von komplexen Realkomponenten und geometrisch primitiven Prüfkörpern unterscheidet sich signifikant. Daraus können Eigenschaftsunterschiede resultieren, die zu unterschiedlichem Materialverhalten führen können. In diesem Vortrag wird das Konzept repräsentativer Probekörper eingeführt, das eine Übertragung thermischer Historien von komplexen Geometrien auf einfache Geometrien ermöglicht und hierdurch zu einer besseren Vergleichbarkeit der Werkstoffeigenschaften führen soll.
Es wurde untersucht, ob und unter welchen Bedingungen sich Kurzfasern aus Hanf heimischer Produktion für die Erzeugung einer Faser-Antifoulingbeschichtung auf Schiffsrümpfen sowie für die Beflockung anderer technischer Oberflächen verwenden lassen.
Das Grundprinzip der Beflockungstechnik besteht darin, Kurzfasern im Längenbereich zwischen 0.5 und 15 mm in einem elektrischen Feld auf eine frisch mit einem Lack oder Kleber beschichtete ebene oder profilierte bzw. gekrümmte Oberfläche aufzubringen und dort bevorzugt senkrecht zu verankern. Auf diese Weise entsteht ein dichter, die Oberfläche vollständig bedeckender Faserflor. Als Flockfasermaterial finden bisher vorwiegend Polyamid (Nylon, Perlon), Viskose, Polyester sowie Baumwolle als nachwachsende Faser Verwendung. Nach der Herstellung unterscheidet man Schnitt- und Mahlflockfasern. Beflockungsmaschinen größerer Leistungsfähigkeit sind in der Regel keine mobilen Aggregate, sondern stationäre, für einen bestimmten Anwendungszweck spezialisierte Aufbauten, auf denen z.B. Gehäuse, PKW-Innenausbauteile, Profile, Bezugsstoffe und andere Textilien beschichtet werden.
Die Besonderheit dieses Vorhabens liegt einerseits in der Verwendung einer neuen Faserart - Hanfkurzfasern - für Beflockungszwecke und andererseits in der Notwendigkeit ein eher mobiles Beflockungsaggregat zu entwickeln, um die Beflockung von Schiffsrümpfen und anderen größeren Objekten prinzipiell zu ermöglichen.