Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Filtern
Erscheinungsjahr
- 2024 (147) (entfernen)
Dokumenttyp
- Vortrag (81)
- Zeitschriftenartikel (24)
- Posterpräsentation (18)
- Forschungsdatensatz (8)
- Beitrag zu einem Tagungsband (6)
- Dissertation (3)
- Sonstiges (3)
- Beitrag zu einem Sammelband (2)
- Buchkapitel (1)
- Forschungsbericht (1)
Referierte Publikation
- nein (147) (entfernen)
Schlagworte
- Additive Manufacturing (10)
- Korrosion (9)
- Additive Fertigung (8)
- Automation (8)
- Microplastics (6)
- Nichtrostender Stahl (6)
- Bonding Analysis (5)
- Polymer 3R (5)
- Ellipsometry (4)
- Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) (4)
Organisationseinheit der BAM
- 6 Materialchemie (57)
- 5 Werkstofftechnik (31)
- 7 Bauwerkssicherheit (26)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (21)
- 6.1 Oberflächen- und Dünnschichtanalyse (18)
- 9 Komponentensicherheit (14)
- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (13)
- 6.2 Material- und Oberflächentechnologien (12)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (12)
- 6.0 Abteilungsleitung und andere (11)
Multiscale modeling of linear elastic heterogeneous structures via localized model order reduction
(2024)
In this paper, a methodology for fine scale modeling of large scale linear elastic structures is proposed, which combines the variational multiscale method, domain decomposition and model order reduction. The influence of the fine scale on the coarse scale is modelled by the use of an additive split of the displacement field, addressing applications without a clear scale separation. Local reduced spaces are constructed bysolving an oversampling problem with random boundary conditions. Herein, we inform the boundary conditions by a global reduced problem and compare our approach using physically meaningful correlated samples with existing approaches using uncorrelated samples. The local spaces are designed such that the local contribution of each subdomain can be coupled in a conforming way, which also preserves the sparsity pattern of standard finite element assembly procedures. Several numerical experiments show the accuracy and efficiency of the method, as well as its potential to reduce the size of the local spaces and the number of training samples compared to the uncorrelated sampling
In the field of computational science and engineering, workflows often entail the application of various software, for instance, for simulation or pre- and postprocessing. Typically, these components have to be combined in arbitrarily complex workflows to address a specific research question. In order for peer researchers to understand, reproduce and (re)use the findings of a scientific publication, several challenges have to be addressed. For instance, the employed workflow has to be automated and information on all used software must be available for a reproduction of the results. Moreover, the results must be traceable and the workflow documented and readable to allow for external verification and greater trust. In this paper, existing workflow management systems (WfMSs) are discussed regarding their suitability for describing, reproducing and reusing scientific workflows. To this end, a set of general requirements for WfMSswere deduced from user stories that we deem relevant in the domain of computational science and engineering. On the basis of an exemplary workflow implementation, publicly hosted at GitHub (https:// this http URL), a selection of different WfMSs is compared with respect to these requirements, to support fellow scientists in identifying the WfMSs that best suit their requirements.
A giant Zn segregation transition is revealed using CALPHAD-integrated density-based modeling of segregation into Fe grain boundaries (GBs). The results show that above a threshold of only a few atomic percent Zn in the alloy, a substantial amount of up to 60 at.% Zn can segregate to the GB. We found that the amount of segregation abruptly increases with decreasing temperature, while the Zn content in the alloy required for triggering the segregation transition decreases. Direct evidence of the Zn segregation transition is obtained using high-resolution scanning transmission electron microscopy. Base on the model, we trace the origin of the segregation transition back to the low cohesive energy of Zn and a miscibility gap in Fe-Zn GB, arising from the magnetic ordering effect, which is confirmed by ab-initio calculations. We also show that the massive Zn segregation resulting from the segregation transition greatly assists with liquid wetting and reduces the work of separation along the GB. The current predictions suggest that control over Zn segregation, by both alloy design and optimizing the galvanization and welding processes, may offer preventive strategies against liquid metal embrittlement.
Since microplastics (MPs) can be found everywhere and are becoming a problem of high concern, it is necessary to understand their physico-chemical properties. To obtain reliable analytical data a set of validated methods for sampling, sample preparation, detection, and data evaluation are needed.
To meet these needs an interlaboratory comparison (ILC) with 84 participants worldwide has been organized under the international pre-standardisation platform VAMAS (www.vamas.org/twa45/) as Project 2 “Development of standardized methodologies for characterisation of microplastics with microscopy and spectroscopy methods” within the Technical Working Area TWA 45 “Micro and Nano Plastics in the Environment”. In this ILC thermo-analytical methods (Py-GC/MS and TED-GC/MS) and vibrational methods (µ-Raman and µ-FTIR) have been tested and compared by providing a set of microplastic representative test materials and measurement protocols developed at BAM. The defined measurands were: particle number concentration, particle size distribution (PSD), and polymer identity and mass content. To increase the statistical quality, 6 samples were shipped together with blank samples. Hence, the ILC provides information on precision and accuracy of the results obtained with different methods as well as strengths and limitations of the proposed protocols.
Since microplastics (MPs) can be found everywhere and are becoming a problem of high concern, it is necessary to understand their occurrence and fate in the environment. However, to obtain data of high quality is very challenging, since measurement operating procedures differ from laboratory to laboratory. Currently, there are no standardized methods to analyze microplastics. One promissing possibility to adress standardization of the methodology and operating procedures are interlaboratory comparisons (ILCs). In this contribution we report the first results of an ILC on microplastic detection methods organized under the pre-stantdardisation plattform of VAMAS (www.vamas.org/twa45/) as Project 2 “Development of standardized methodologies for characterisation of microplastics with microscopy and spectroscopy methods”, within the Technical Working Area TWA 45 “Micro and Nano Plastics in the Environment”. The ILC has gathered 84 participants all over the world representing all continents. BAM, as the project leader, produced a set of reference microplastic materials, which have been distributed to all the participants together with the measurement protocols and reporting data templates.
Microplastic and nanoplastic particles (MNP) are spread all over the world in various types, shapes and sizes making it very challenging to accurately analyse them. Each sampling procedure, sample preparation method and detection technique needs suitable reference materials to validate the method for accurate results. Furthermore, the effects of these MNPs should be evaluated by risk and hazard assessment with test particles close to reality. To better understand MNP behavior and aid in clarification of their interactions with organisms, we produced several MNP materials by top-down procedure and characterized their properties. Since surface properties mostly determine particles’ toxicity, the aim of the present study was to determine which functional groups are present on MNPs and how the surface can be affected by the production process and particle’s environment.
Additive manufacturing (AM) offers significantly greater freedom of design compared to conventional manufacturing processes since the final parts are built layer by layer. This enables metal AM, also known as metal 3D printing, to be utilized for improving efficiency and functionality, for the production of parts with very complex geometries, and rapid prototyping. However, despite many technological advancements made in recent years, several challenges hinder the mass adoption of metal AM. One of these challenges is mechanical anisotropy which describes the dependency of material properties on the material orientation. Therefore, in this work, stainless steel 316L parts produced by laser-based powder bed fusion are used to isolate and understand the root cause of anisotropy in AM parts. Furthermore, an efficient and accurate multiscale numerical framework is presented for predicting the deformation behavior of actual AM parts on the macroscale undergoing large plastic deformations. Finally, a novel constitutive model for the plastic spin is formulated to capture the influence of the microstructure evolution on the material behavior on the macroscale.
Die Wirbelstromprüfung ist ein bewährtes Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung elektrisch leitfähiger Objekte im oberflächennahen Bereich. Nach einer Einführung in die Wirkungsweise, Möglichkeiten und Grenzen des Wirbelstromprüfverfahrens wird am Beispiel des Schreins der Heiligen Drei Könige gezeigt, wie sich mit dem Wirbelstromprüfverfahren unterschiedliche Metalllegierungen unter einer Vergoldung zerstörungsfrei identifizieren lassen.
Der Schrein der Heiligen Drei Könige wurde um das Jahr 1200 von Nikolaus von Verdun erschaffen, ca. 1750 von Johann Rohr und 1807 von Wilhelm Pollack restauriert. Die Restaurierungsarbeiten wurden jedoch nur unvollständig dokumentiert. Es ist bekannt, dass zu den unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Metalllegierungen als Grundmaterial unter der Vergoldung verwendet wurden. Mit Hilfe von Vergleichsproben aus einer Sammlung der Kölner Dombauverwaltung ließen sich die Akanthus-Prägungen des Schreins den verschiedenen Restaurierungen zuordnen.
Bei der zerstörungsfreien Prüfung verlegter Eisenbahnschienen werden die Rohdaten derzeit in proprietären Datenformaten gespeichert und auf Datenträgern zwischen den Prüfzügen und den auswertenden Stellen versendet. Die proprietären Datenformate sind in der Regel nur den Herstellern der Prüfsysteme bekannt und deren Dokumentation nicht allgemein zugänglich.
Das Forschungsprojekt „Artificial Intelligence for Rail Inspection“ (AIFRI) erfordert den Austausch von Prüfdaten in einem offenen Format sowohl zwischen den Projektpartnern als auch die Veröffentlichung anonymisierter Daten ausgewählter Strecken aus dem Offenen Digitalen Testfeld (ODT). Wir haben uns in dem Projekt für die Verwendung der „Standard Practice for Digital Imaging and Communication in Nondestructive Evaluation“ (DICONDE) entschieden. DICONDE basiert auf dem medizinischen Standard „Digital Imaging and Communication in Medicine“ (DICOM) und wurde von ASTM an die ZfP angepasst. DICOM bzw. DICONDE ist nicht nur ein Datenformat, sondern beinhaltet auch Kommunikationsschnittstellen für die Auftragsvergabe, Datenübertragung und Abfrage gespeicherter Datensätze aus einem Archiv.
In dem Vortrag werden DICOM und DICONDE vorgestellt, sowie die Verwendung von DICONDE für die Schienenprüfung im Projekt AIFRI näher erläutert. Es wird gezeigt, wie sich Prüfdaten, Prüfparameter, Streckeninformationen incl. Kilometertafeln und Geokoordinaten und Befunde in DICONDE kodieren lassen.
Durch Auslagerungs- und elektrochemische Tests im Labor kann das Korrosionsverhalten verschiedener metallener Werkstoffe beurteilt werden. Aus den Versuchsergebnissen, die in verschiedenen synthetischen Geothermalwässern im Labor erzielt wurden, lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:
• Die Anfälligkeit für Spaltkorrosion wurde als wichtigster Aspekt für die Werkstoffqualifizierung ermittelt.
• Der niedriglegierte Stahl 25CrMo4 zeigte bei niedrigem Salzgehalt in MB-Geothermalwasser eine gleichmäßige Korrosion unterhalb der akzeptierten Schwelle von 0,3 mm/Jahr. Daher kann er als geeignet für geothermische Bedingungen mit niedrigem Salzgehalt angesehen werden, wie sie für MB getestet wurden. Es besteht keine Notwendigkeit, auf höherlegierte (teurere) Werkstoffe auszuweichen. Ein niedrigerer pH-Wert (wie bei LHD) führt zu Korrosionsraten oberhalb der akzeptablen Grenzwerte, so dass die niedriglegierten Werkstoffe nicht für Flüssigkeiten mit niedrigem pH-Wert geeignet sind.
• Stark salzhaltige Geothermalwässer erfordern höherlegierte Werkstoffe, da die Korrosionsrate von niedriglegiertem Stahl zu hoch ist.
• Der Duplexstahl X2CrNiMo22-5-3 und der Superduplexstahl X2CrNiMoCuWN25-7-4 wurden aufgrund ihrer kritischen Anfälligkeit für örtliche Korrosion in Form von Loch- und Spaltkorrosion unter Betriebsbedingungen nicht als geeignet für geothermische Anwendungen in Geothermalwässern mit einer mit NDB und ORG vergleichbaren Zusammensetzung angesehen.
• Der superaustenitische Stahl X1CrNiMoCu32-28-7 eignet sich für ORG und salzarme Wässer. In NDB-Geothermalwasser wurde er bei 100 °C als geeignet angesehen. Jedoch schränkt seine Anfälligkeit für Spaltkorrosion seine Anwendbarkeit ein. Neben seiner guten Korrosionsbeständigkeit ist sein Repassivierungsverhalten für seine begrenzte Anwendbarkeit in Geothermalwässern mit niedrigem pH-Wert verantwortlich.
• Die Nickelbasislegierung NiCr23Mo16Al wurde als geeignet erachtet und stellt eine sichere Option für den Einsatz in geothermischen Anlagen dar, selbst wenn mit stark salzhaltigem Geothermalwasser gearbeitet wird.
Durch Auslagerungs- und elektrochemische Tests im Labor kann das Korrosionsverhalten verschiedener metallener Werkstoffe beurteilt werden. Aus den Versuchsergebnissen, die in verschiedenen synthetischen Geothermalwässern im Labor erzielt wurden, lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:
• Die Anfälligkeit für Spaltkorrosion wurde als wichtigster Aspekt für die Werkstoffqualifizierung ermittelt.
• Der niedriglegierte Stahl 25CrMo4 zeigte bei niedrigem Salzgehalt in MB-Geothermalwasser eine gleichmäßige Korrosion unterhalb der akzeptierten Schwelle von 0,3 mm/Jahr. Daher kann er als geeignet für geothermische Bedingungen mit niedrigem Salzgehalt angesehen werden, wie sie für MB getestet wurden. Es besteht keine Notwendigkeit, auf höherlegierte (teurere) Werkstoffe auszuweichen. Ein niedrigerer pH-Wert (wie bei LHD) führt zu Korrosionsraten oberhalb der akzeptablen Grenzwerte, so dass die niedriglegierten Werkstoffe nicht für Flüssigkeiten mit niedrigem pH-Wert geeignet sind.
• Stark salzhaltige Geothermalwässer erfordern höherlegierte Werkstoffe, da die Korrosionsrate von niedriglegiertem Stahl zu hoch ist.
• Der Duplexstahl X2CrNiMo22-5-3 und der Superduplexstahl X2CrNiMoCuWN25-7-4 wurden aufgrund ihrer kritischen Anfälligkeit für örtliche Korrosion in Form von Loch- und Spaltkorrosion unter Betriebsbedingungen nicht als geeignet für geothermische Anwendungen in Geothermalwässern mit einer mit NDB und ORG vergleichbaren Zusammensetzung angesehen.
• Der superaustenitische Stahl X1CrNiMoCu32-28-7 eignet sich für ORG und salzarme Wässer. In NDB-Geothermalwasser wurde er bei 100 °C als geeignet angesehen. Jedoch schränkt seine Anfälligkeit für Spaltkorrosion seine Anwendbarkeit ein. Neben seiner guten Korrosionsbeständigkeit ist sein Repassivierungsverhalten für seine begrenzte Anwendbarkeit in Geothermalwässern mit niedrigem pH-Wert verantwortlich.
• Die Nickelbasislegierung NiCr23Mo16Al wurde als geeignet erachtet und stellt eine sichere Option für den Einsatz in geothermischen Anlagen dar, selbst wenn mit stark salzhaltigem Geothermalwasser gearbeitet wird.
Since 2016 ISO Technical Committee (TC) 265 is working on standardization the whole CCS-process chain. Around 30 countries are working together to provide international guidelines. As ISO 27913 was the first standard finished within these activities it is already in the stage of first revision.
The objective of ISO 27913 is “to provide specific requirements and recommendations on certain aspects of safe and reliable design, construction and operation of pipelines intended for the large-scale transportation of CO2 that are not already covered in existing pipeline standards such as ISO 13623, ASME B31.8, EN 1594, AS 2885 or other standards. Existing pipeline standards cover many of the issues related to the design and construction of CO2 pipelines; however, there are some CO2 specific issues that are not adequately covered in these standards. The purpose of this document is to cover these issues consistently. Hence, this document is not a standalone standard, but is written to be a supplement to other existing pipeline standards for natural gas or liquids for both onshore and offshore pipelines.”
This contribution shall provide information on the content, the current stage of the revision process, encourage to contribute to this standard and make listeners aware to consider the influence of ISO standard on documents currently in draft.
Since 2016 ISO Technical Committee (TC) 265 is working on standardization the whole CCS-process chain. Around 30 countries are working together to provide international guidelines. As ISO 27913 was the first standard finished within these activities it is already in the stage of first revision.
The objective of ISO 27913 is “to provide specific requirements and recommendations on certain aspects of safe and reliable design, construction and operation of pipelines intended for the large-scale transportation of CO2 that are not already covered in existing pipeline standards such as ISO 13623, ASME B31.8, EN 1594, AS 2885 or other standards. Existing pipeline standards cover many of the issues related to the design and construction of CO2 pipelines; however, there are some CO2 specific issues that are not adequately covered in these standards. The purpose of this document is to cover these issues consistently. Hence, this document is not a standalone standard, but is written to be a supplement to other existing pipeline standards for natural gas or liquids for both onshore and offshore pipelines.”
This contribution shall provide information on the content, the current stage of the revision process, encourage to contribute to this standard and make listeners aware to consider the influence of ISO standard on documents currently in draft.
Es werden die Ergebnisse eines mehrjährigen Forschungsvorhabens der BAM in Zusammenarbeit mit Straßenbauverwaltungen der Länder und Industriebeteiligten zur betriebstechnischen Ausrüstung von Straßentunneln präsentiert. Schwerpunkte waren die Bestimmung der Korrosivität der Atmosphäre von 3 ausgewählten Straßentunneln, die Analyse korrosionsrelevanter Ablagerungen und von Klimadaten. Die Auswirkungen dieser Einflussgrößen auf die Dauerhaftigkeit von Konstruktionen aus nichtrostenden Stählen wurde ermittelt und in Abhängigkeit verschiedener Einflussparameter dargestellt. Die Ergebnisse der systematischen Untersuchungen an Prüfköpern decken sich mit Beobachtungen an realen Bauteilen. Spaltbehaftete Konstruktionen aus Werkstoffen der CRC III führen demnach in Zeiträumen zwischen 10 und 15 Jahren zu Korrosionserscheinungen, welche die technische Sicherheit beeinträchtigen können und die erwartete Dauerhaftigkeit nicht erfüllen. Die Folge sind zusätzliche Sperrungen und ein vorzeitig notwendiger Unterhaltsaufwand, die erhebliche Kosten verursachen. Im Ergebnis ist eine Überarbeitung des aktuellen Regelwerkes erforderlich, um die angestrebte Dauerhaftigkeit von 30 Jahren zu gewährleisten.
Übersichtsvortrag zu Korrosionsarten, die bei nichtrostenden Stählen unter verschiedenen Einsatzbedingungen auftreten können. Die Grundlagen zur Pasivität und der örtlichen Störung der Passivität werden im Zusammenspiel komplexer Einflussfaktoren des Korrosionssystems herausgestellt. Die erarbeiteten theoretischen Grundlagen werden anhand praktischer Beispiel für alle relevanten Korrosionsarten vertieft.
Korrosionsprüfung
(2024)
Der Vortrag gibt einen Überblick über gängige Korrosionsversuche. Die wesentlichen Unterschiede zwischen Prüf- und Untersuchungsverfahren, deren jeweilige Zielstellung, Aussagefähigkeit und Grenzen werden aufgezeigt. Es werden ausgewählte Auslagerungsversuche, Kammerprüfungen sowie elektrochemische Messmethoden zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit vorgestellt. Anhand praktischer Beispiele werden ausgewählte Ergebnisse der einzelner Methoden vorgestellt und diskutiert.
Das Ausbreitungsverhalten geführter Ultraschallwellen ermöglicht die großflächige Prüfung von Platten und schalenförmigen Bauteilen wie Rohren und Laminaten auf Fehlstellen von wenigen Prüfpunkten aus. Während die beschränkte Divergenz der geführten Wellen die Ultraschallprüfung begünstigt, erschwert das dispersive und multimodale Verhalten der Lamb-Wellen die Auswertung der Ultraschallsignale. Die dispersive und multimodale Wellenausbreitung verkompliziert die Bestimmung der Fehlerposition bei der Auswertung der Geschwindigkeiten einzelner Wellenpakete. Zudem ist es herausfordernd, einen einfachen Zusammenhang zwischen den Reflexionen der Fehlstelle und deren Größe und Form herzustellen. Eine Möglichkeit zur genauen Bestimmung der Fehlerposition und -geometrie bietet der direkte Vergleich der Messsignale mit den Signalen aus einem Simulationsmodell. Die Nachbildung des Schadens im Simulationsmodell stellt ein inverses Problem dar, das iterativ gelöst werden kann, indem ein Vorwärtsmodell immer weiter optimiert wird. Klassische Ansätze wie die Finite Elemente Methode (FEM) sind für die Simulation von Ultraschallwellen aufgrund der kleinen Wellenlängen im Vergleich zur Bauteilgröße meist ineffizient. Aus diesem Grund basiert das vorgestellte Vorwärtsmodell auf der semi-analytischen Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM), die große Teile der Wellenausbreitung analytisch berechnet. In diesem Beitrag wird die Validierung des zweidimensionalen Modells an Platten mit einer rechteckigen Nut als Ersatzfehler präsentiert und es werden erste Schritte zur Validierung von 3D-Modellen vorgestellt.
Das Ausbreitungsverhalten geführter Ultraschallwellen ermöglicht die großflächige Prüfung von Platten und schalenförmigen Bauteilen wie Rohren und Laminaten auf Fehlstellen von wenigen Prüfpunkten aus. Während die beschränkte Divergenz der geführten Wellen die Ultraschallprüfung begünstigt, erschwert das dispersive und multimodale Verhalten der Lamb-Wellen die Auswertung der Ultraschallsignale. Die dispersive und multimodale Wellenausbreitung verkompliziert die Bestimmung der Fehlerposition bei der Auswertung der Geschwindigkeiten einzelner Wellenpakete. Zudem ist es herausfordernd, einen einfachen Zusammenhang zwischen den Reflexionen der Fehlstelle und deren Größe und Form herzustellen. Eine Möglichkeit zur genauen Bestimmung der Fehlerposition und -geometrie bietet der direkte Vergleich der Messsignale mit den Signalen aus einem Simulationsmodell. Die Nachbildung des Schadens im Simulationsmodell stellt ein inverses Problem dar, das iterativ gelöst werden kann, indem ein Vorwärtsmodell immer weiter optimiert wird. Klassische Ansätze wie die Finite Elemente Methode (FEM) sind für die Simulation von Ultraschallwellen aufgrund der kleinen Wellenlängen im Vergleich zur Bauteilgröße meist ineffizient. Aus diesem Grund basiert das vorgestellte Vorwärtsmodell auf der semi-analytischen Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM), die große Teile der Wellenausbreitung analytisch berechnet. In diesem Beitrag wird die Validierung des zweidimensionalen Modells an Platten mit einer rechteckigen Nut als Ersatzfehler präsentiert und es werden erste Schritte zur Validierung von 3D-Modellen vorgestellt.
A new titanium alloy improving the operation of implants additively manufactured and including laterally closed lattice structures is proposed. The new alloy possesses an increased affinity to the bone. The measured bone–interface implant (BII) of less than 10 mm and bone–implant contact (BIC) of 95% demonstrated an excellent osseointegration. Furthermore, since additive manufacturing naturally leads to a high-roughness surface finish, the wettability of the implant is increased. The combination of these factors is pushing ossification beyond its natural limits. In addition, the quality and speed of the ossification and osseointegration in/around laterally closed lattice implants open the possibility of bone spline key of prostheses. This enables the stabilization of the implant into the bone while keeping the possibility of punctual hooks allowing the implant to be removed more easily if required.
Bakterielle Biofilme stellen in medizinischen und industriellen Bereichen ein ernsthaftes Problem dar. Eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen liegt in der zunehmenden Resistenz von Bakterien gegen Biozide, die bei antimikrobiellen Behandlungen eingesetzt werden, z.B. durch übermäßigen Einsatz in Medizin, Industrie und Landwirtschaft oder durch Reinigung und Desinfektion in Privathaushalten. Daher sind neue effiziente bakterienabweisende Strategien, die den Einsatz von Bioziden vermeiden, dringend erforderlich.
Ein vielversprechender Weg zur Erzielung bakterienabweisender Oberflächen liegt in der berührungslosen und aseptischen großflächigen Laserbearbeitung von technischen Oberflächen. Maßgeschneiderte Oberflächentexturen, ermöglicht durch verschiedene Laserbearbeitungsstrategien, die zu topographischen Skalen im Bereich von Nanometern bis Mikrometern führen, können eine Lösung für diese Herausforderung darstellen.
In dem Vortrag wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik bei der subtraktiven Texturierung von Laseroberflächen zur Kontrolle der Biofilmbildung bei verschiedenen Bakterienstämmen und in unterschiedlichen Umgebungen gegeben. Auf der Grundlage spezifischer Eigenschaften von Bakterien und laserbearbeiteten Oberflächen werden die Herausforderungen antimikrobieller Oberflächendesigns erörtert und zukünftige Richtungen aufgezeigt.
Der Vortrag gibt einen Überblick über die vielfältigen Möglichkeiten der Oberflächenfunktionalisierung mittels Mikro- und Nanostrukturierung durch Ultrakurzpuls-Lasermaterialbeabeitung. Dies schließt eine Diskussion des Phänomens der Laser-induzierten periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS, engl.: Laser-induced Periodic Surface Structures, Ripples), sowie deren Klassifikation und Bildungsmechanismen mit ein. Ein Schwerpunkt der Präsentation liegt auf der Diskussion verschiedener Anwendungsmöglichkeiten der LIPSS in Bereichen der Optik, Fluidik, Tribologie und Medizin, sowie auf einem Ausblick auf die industrielle Skalierbarkeit der LIPSS-Technologie.
Der Vortrag gibt einen Überblick über die Erzeugung und Charakterisierung anisotroper Nanostrukturen mittels ultrakurzgepulster Laserstrahlung. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Phänomen der sogenannten Laser-induzierten periodischen Oberflächen-Nanostrukturen auf dielektrischen Werkstoffen und ihrer zeitlichen Dynamik. Weitere Beispiele von Volumen-Nanostrukturen aus der Literatur werden diskutiert.
Advances in ultrafast laser manufacturing: nanostructures, thin films, and scaling perspectives
(2024)
Advanced ultrafast laser technology is a rapidly growing field that currently enables many new industrial and scientific applications. During the last decades, this has been significantly driven by the availability of high-repetition-rate laser sources and novel beam delivery concepts. At the laser side, Moore’s law equally manifests for ultrafast laser technologies, since the average output power of such lasers doubles approximately every two years. This development is mainly driven by the increase of the pulse repetition rates of energetic laser pulses, currently enforcing the development of smart beam control and novel scanning strategies for preventing heat-accumulation and plasma-shielding effects during laser-based materials processing. This keynote presentation addresses the advantages, recent developments, and perspectives of laser processing with ultrashort laser pulses. A special focus is laid on the tailored structuring of thin films as well as the manufacturing and probing of sub-diffraction surface nanostructures – an ongoing race to extreme scales. Current limitations are identified and an outlook to future scaling perspectives will be provided.
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) enable a large variety of different surface functionalizations for applications in the fields of optics, fluidics, tribology, or medicine. Moreover, high spatial frequency LIPSS (HSFL) provide an appealing and straightforward way for the generation of surface nanostructures featuring spatial periods even below 100 nm – far beyond the optical diffraction limit. However, the imposed surface functionalities are usually caused by both, topographic and chemical surface alterations. For exploring these effects in detail, multi-method characterization was performed here for HSFL processed on Ti-6Al-4V alloy upon irradiation with near-infrared ps-laser pulses (1030 nm wavelength, ~1 ps pulse duration, 1 – 400 kHz pulse repetition rate) under different scan processing conditions. The subsequent sample characterization involved morphological and topographical investigations by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), stylus profilometry (SP), as well as near-surface chemical analyses by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) and depth-profiling time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). The results allow to qualify the laser ablation depth, the geometrical HSFL characteristics and provide detailed insights into the depth extent and the nature of the ps-laser-induced near-surface oxidation arising from the laser-processing in ambient air and into the relevance of heat-accumulation effects at high pulse repetition rates. Moreover, the direct comparison of the HAXPES and XPS data reveals the role of surface-covering organic contaminants adsorbed from the ambient atmosphere without ion-sputter depth profiling. Furthermore, reduction of the oxides by sputtering can be avoided.
Gas turbine components, made of nickel-based alloys, undergo material damage due to high temperatures and mechanical stresses. These components need periodic replacement to avoid efficiency loss and failure. Repair of these parts is more cost-effective than replacement. State-of-the-art repair technologies, including different additive manufacturing (AM) and brazing processes, are considered for efficient restoration. Materials properties mismatches and/or internal defects in repaired parts may expedite crack initiation and propagation, reducing fatigue life. To understand the crack growth behavior in joining zones and predict the remaining life of repaired components, fatigue crack growth (FCG) tests were conducted on specimens of nickel-based alloys joined via brazing, pre-sintered preforms and AM. The FCG experimental technique was successfully adapted for joined specimens and results indicate that the investigated braze material provides a lower resistance to crack growth. In AM-sandwich specimens, the crack growth rates are significantly reduced at the interface of AM and cast material.
This research deals with the development of the Vickers hardness knowledge graph, mapping the example dataset in them, and exporting the data-mapped knowledge graph as a machine-readable Resource Description Framework (RDF). Modeling the knowledge graph according to the standardized test procedure and using the appropriate upper-level ontologies were taken into consideration to develop the highly standardized, incorporable, and industrial applicable models. Furthermore, the Ontopanel approach was utilized for mapping the real experimental data in the developed knowledge graphs and the resulting RDF files were successfully evaluated through the SPARQL queries.
KupferDigital mechanical testing datasets: Stress relaxation and low-cycle fatigue (LCF) tests
(2024)
The KupferDigital project deals with the development of a data ecosystem for digital materials research on the basis of ontology-based digital representations of copper and copper alloys. This document provides exemplary mechanical testing datasets for training the developed KupferDigital infrastructures. Different types of cast copper alloys were provided for this research and their mechanical testing (stress relaxation and low-cycle fatigue) was performed in the accredited materials testing laboratory, while the test results were reported according to the DIN/ISO standards and attached with the maximum possible metadata about the sample history, equipment, and calibration. The attached content file consisted of the obtained primary raw testing data as well as the secondary datasets of these tests containing the detailed metadata of mechanical testing methods. Such test data files are processed by the KupferDigital digital tools to be converted to standardized machine-readable data files.
This study aims to represent an approach for transferring the materials testing datasets to the digital schema that meets the prerequisites of the semantic web. As a use case, the tensile stress relaxation testing method was evaluated and the testing datasets for several copper alloys were prepared. The tensile stress relaxation testing ontology (TSRTO) was modeled following the test standard requirements and by utilizing the appropriate upper-level ontologies. Eventually, mapping the testing datasets into the knowledge graph and converting the data-mapped graphs to the machine-readable Resource Description Framework (RDF) schema led to the preparation of the digital version of testing data which can be efficiently queried on the web.
Derzeit ist die Instandhaltung von großen Betontragwerken wie Brücken oder Windenergieanlagen problemorientiert und von einem reaktiven Vorgehen geprägt. Das bedeutet, erst wenn sichtbare Schäden vorliegen, werden diese meist unter Beeinträchtigung des Betriebs instand gesetzt. Im Hinblick auf die Entwicklung von prädiktiven Instandhaltungsstrategien, deren Fokus in der langfristigen Bauwerksüberwachung und der Vorhersage von Schädigungsentwicklungen liegt, wurde die Anwendung von Ultraschallverfahren für die Identifizierung der Degradationsprozesse von Betontragwerken unter Ermüdungsbeanspruchung untersucht. Hierzu fanden Arbeiten im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Verbundprojekt WinConFat zum "Einfluss der Probengeometrie und -größe auf die Ermüdung von Beton" an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und zu den "Methoden zur Zustandsanalyse von Windenergieanlagen" am Institut für Massivbau (IfMa) der Leibniz Universität Hannover (LUH) statt, welches zudem vom Deutschen Beton- und Bautechnik Verein e.V. (Forschungsvorhaben DBV-311) gefördert wurde. Dabei wurden verschiedene Einflussfaktoren auf die Schädigungsentwicklung unter Ermüdungsbeanspruchung wie die Probekörpergröße, das Belastungsniveau und die Betonfestigkeit untersucht. Als Schädigungsindikator und Vergleichsparameter wurden die Ultraschallgeschwindigkeit und der dynamische E-Modul des Betons verwendet. Um das Potential der Schädigungserfassung im Beton mittels Ultraschallprüfung umfassender zu bewerten, wurden zusätzlich Versuche an Betonproben unter monoton steigender Belastung, Kriechversuche, Temperaturversuche und Untersuchungen an großformatigen Balken durchgeführt.
For a deep process understanding of the laser powder bed fusion process (PBF-LB/M), recording of the occurring surface temperatures is of utmost interest and would help to pave the way for reliable process monitoring and quality assurance. A notable number of approaches for in-process monitoring of the PBF-LB/M process focus on the monitoring of thermal process signatures. However, due to the elaborate calibration effort and the lack of knowledge about the occurring spectral directional emissivity, only a few approaches attempt to measure real temperatures. In this study, to gain initial insights into occurring in the PBF-LB/M process, measurements on PBF-LB/M specimens and metal powder specimens were performed for higher temperatures up to T = 1290 °C by means of the emissivity measurement apparatus (EMMA) of the Center for Applied Energy Research (CAE, Wuerzburg, Germany). Also, measurements at ambient temperatures were performed with a suitable measurement setup. Two different materials—stainless steel 316L and aluminum AlSi10Mg—were examined. The investigated wavelength λ ranges from the visible range (λ-VIS = 0.40–0.75 µm) up to the infrared, λ = 20 µm. The influence of the following factors were investigated: azimuth angle φ, specimen temperature TS, surface texture as for PBF-LB/M surfaces with different scan angles α, and powder surfaces with different layer thicknesses t.
In this study, we investigated the diverse range of materials used for sizing in Iranian paper manuscripts during the Timurid (fifteenth century) to Safavid (sixteenth century) and Qajar (nineteenth century) periods. Our approach combined historical analysis with scientific examination of reconstructed sizings. We reconstructed 15 sizing materials based on identified Persian historical recipes and analysed their physical, optical, and spectral characteristics. Additionally, we assessed their behaviour against the mould fungus Aspergillus flavus. The results revealed distinctive properties for each sizing material, shedding light on their potential applications in paper preservation. Furthermore, our investigation demonstrated variations in hygroscopicity, thickness, grammage, and ash content post-sizing. The sizing materials also exhibited different effects on paper reflectance properties. Additionally, our study revealed insights into the impact of sizing on burnished papers, indicating that the mechanical process of burnishing did not significantly alter the chemical composition or spectral properties of the paper, with only minor changes in brightness observed in specific cases. All tested sizing materials supported varying levels of mould growth, indicating potential implications for paper conservation. Our findings provide valuable insights into the historical practices of Iranian paper sizing and offer practical considerations for the preservation of paper manuscripts.
This contribution presents the results of an experimental study on the LCF behavior of an austenitic 316L stainless steel produced by laser powder bed fusion featuring a low defect population, which allows for an improved understanding of the role of other typical aspects of a PBF‑LB microstructure. The LCF tests were performed between room temperature and 600 °C. A hot‑rolled 316L variant was tested as a reference. The mechanical response is characterized by strain-life curves, a Coffin‑Manson‑Basquin fitting, and cyclic deformation curves. The damage and deformation mechanisms are studied with X-ray computed tomography, optical and electron microscopy. The PBF‑LB/M/316L exhibits lower fatigue lives at lower strain amplitudes. The crack propagation is mainly transgranular. The solidification cellular structure seems to be the most relevant underlying microstructural feature determining the cyclic deformation behavior.
A method of solving the thermo-fluid dynamics problem is presented, enabling the prediction of the shape and dimensions of the weld pool during keyhole laser welding of thick plates. It is shown that the rear weld pool boundary can be satisfactorily approximated by a set of superellipses (Lamé curves). The presence of a convex rear weld pool boundary in the mid-plane has been observed experimentally and reproduced numerically. It was shown that in this zone the concentration of liquating impurities increases and the local solidification temperature decreases, contributing to the susceptibility to hot cracking.
The present Ph.D. thesis provides a comprehensive experimental and theoretical study of the bulging-cracking relationship in laser beam welding of thick unalloyed steel sheets. It focuses on experimentally proving the existence of the bulging region and on developing a coupled multiphysics mathematical framework to analyze its influence on the three critical factors controlling the susceptibility to solidification cracking, namely the thermal, metallurgical, and mechanical factors.
The research employs a novel experimental setup, utilizing a combination of transparent quartz glass and thick unalloyed steel sheet, enabling real-time visualization of the weld pool geometry and confirming the existence of a distinctive bulging region. To deepen the understanding of these experimental insights, an extensive multiphysics mathematical framework was developed and rigorously verified and validated. This framework introduces an innovative approach using Lamé curves for accurately describing complex three-dimensional weld pool geometries, including the bulging region's characteristics. Through analytical solutions and numerical procedures, it facilitates the computation of solidification parameters, which are crucial for understanding the metallurgical aspects of crack formation. The framework also incorporates a mechanical model to assess and evaluate the local stress distribution within the bulging region.
The findings indicate that an elongated, sharply shaped bulging region significantly increases the susceptibility to solidification cracking. This is attributed to its adverse impact on the distribution and local dwell time of liquid metal residing at grain boundaries during solidification, combined with the localized tensile stresses identified in the bulging region.
In essence, this research contributes to the broader understanding of solidification cracking in laser beam welding of thick unalloyed steel sheets, with a particular focus on the bulging region. The insights and methodologies developed in this thesis are valuable for future research and advancements in the application of the laser beam welding technology for joining high-thickness unalloyed steel components.
The talk summarizes challenges in microplastic analysis. It shows the preparation of microplastic reference materials as well as the testing on homogeneity and stability. The reference material is used in an international laboratory comparison to compare different detection methods used for microplastic analysis. The methods used were µ-IR (FTIR+LDIR) for number-based methods and TED-GC/MS and Py-GC/MS for mass-based methods. The ILC was done under the umbrella of VAMAS TWA 45. Results of the participants are presented.
Die additive Fertigung von Metallen hat inzwischen einen Reifegrad erreicht, der einen Einsatz in vielen Industriezweigen ermöglicht oder in greifbare Nähe rückt. Die Vorteile liegen vor allem in der Möglichkeit der Fertigung komplexer Bauteile, die sich konventionell nicht oder nur sehr aufwändig produzieren lassen, sowie in der Fertigung von hochindividualisierten Bauteilen in kleinen Stückzahlen. Allerdings ist der additive Fertigungsprozess hoch komplex und fehleranfällig. Um eine insbesondere für sicherheitsrelevante Bauteile notwendige Qualitätskontrolle zu gewährleisten, ist aktuell aufwändige nachgelagerte ZfP der einzelnen Bauteile notwendig. Alternativen könnten die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung bieten, die aktuell aber noch keinen ausreichenden Entwicklungsstand erreicht haben. Industrielle Fertigungsanlagen bieten keine oder nur geringe Flexibilität und Zugänglichkeit, um umfangreiche Untersuchungen auf diesem Gebiet zu ermöglichen. Daher haben wir an der BAM ein System für den Prozess des selektiven Laserschmelzens (PBF-LB/M) entwickelt, genannt SAMMIE. Es bietet eine komplett offene Systemarchitektur mit voller Kontrolle über den Prozess und flexiblem Zugang zur Baukammer, z.B. optisch sowohl direkt als auch koaxial zum Fertigungslaser. In diesem Beitrag stellen wir das System vor und zeigen erste experimentelle Ergebnisse der In-situ-Überwachung und -prüfung: Thermografische Schmelzbadüberwachung, optische Tomografie und In-situ-Laserthermografie. SAMMIE ermöglicht uns grundlegende Untersuchungen, die helfen werden, die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung weiterzuentwickeln, neue Erkenntnisse über die additive Fertigung zu gewinnen und die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Prozesses zu verbessern.
Unlike conventional alloys, which typically consist of one main element, high-entropy alloys (HEAs) contain five or more principal elements, which broaden chemical complexity and with it a realm of synergistic mechanisms. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr HEA initiated a subclass of Al-containing refractory (r)HEAs that has recently drawn attention [2]. The alloy has a superalloy-resembling B2/bcc nanostructure, which inspired its name refractory high entropy superalloy (RSA). With high-temperature (HT) compressive strengths beyond conventional Ni-based superalloys, this nanostructure could be used for improved HT structural applications. However, in the application-relevant HT regime the Al-Zr-rich B2 phase decomposes to form a hexagonal Al-Zr-based intermetallic (Al4-xZr5; x: 0..1) [3,4]. This work explores the fascinating yet fatal micromechanisms associated to this phase transformation, in the context of creep, annealing and oxidation experiments performed between 800 and 1200 °C.
The material was produced by arc-melting and heat treatment in argon, which lead to grain boundaries decorated with up to 7%. Interrupted constant-load creep tests were performed under vacuum (at 10-4 Pa), at 900–1100 °C with external tensile stresses of 30–120 MPa. Oxidation experiments were separately conducted for 24 hours at 800 and 1000 °C in both dry (21% O2 + 79% N2) and humid (8% O2 + 74% N2 + 18% H2O) air. After the experiments, the samples were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy to reveal degradation mechanisms. Crystallographic texture, orientation relationships and stabilization of an oxygen-containing iso structure (Al4-xZr5(Ox-y); y: 0..x) of the Al-Zr-rich intermetallic are found and discussed.