Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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The Interdisciplinary Alchemist: Reproduction and Study of Black Inks from the Islamicate World
(2019)
The identification of the materials constituting an artefact is the basis of any correct conservation project, for this reason (among others) in the last 50 years analytical techniques have been applied to the study of manuscripts. Unfortunately, the scientific investigation of Arabic books is still uncommon, focusing mainly on single case studies, often producing unclear results, especially for black inks. This lack of knowledge prompted a recent research in which black ink recipes have been collected from written Arabic sources on bookmaking, their feasibility has been assessed, and finally some of them have been reproduced. These samples were artificially aged and analysed through an array of analytical techniques, mostly non-invasive and non-destructive, in order to build a database of Arabic inks and their ingredients and also to verify the detection limits of the portable equipment employed. In this talk I will present some instances of how this approach can help textual criticism, for example in evaluating variants and determining the competence of authors and compilers. At the same time the research highlights how much this scientific work depends on textual studies, especially concerning the identification of ingredients. Moreover, I will focus on some of the problematics I faced both during the textual interpretation and the actual reproduction of the recipes and how they influenced the results of the scientific analyses. In particular I’ll look into the role played by the degree of purity of the components and the function (real and perceived) of some of the ingredients.
In this poster we will present some results of a research projects dealing with Arabic recipes of black inks. To improve conservation practices of Arabic manuscripts we have assessed the feasibility of the recipes collected from many Arabic sources on bookmaking and reproduced the most common inks. Ink samples were then artificially aged and analysed using an array of analytical techniques, mostly non-invasive, in order to build a database of Arabic inks and their ingredients and also to verify the detection limits of the portable equipment employed.
First, we will provide an overview of the sources [1-2] employed in the study – dating from 9th to 14th century, although the manuscripts in which they can be found dates up to the 20th century – with an eye on the ink typologies (real and perceived by the compilers). Then we will show how, by reproducing the recipes, it was possible to shed light on some oddities in the procedures and the choice of ingredients. In the end we will discuss problems concerning the identification of ink types and ingredients using reflectography (in Vis, IR and UV), X-Ray Fluorescence, Infrared and Raman spectroscopy. The focus will be in particular on mixed inks – both in the form of carbon inks with the addition of tannins and of a mixture of carbon and iron gall inks – which are particularly difficult to detect [3]. We will also examine the results of iron gall inks made with iron filings or nails instead of vitriol and the various precursor used to extract gallic acid that are mentioned in the sources as surrogates of gall nuts.
[1] A. Schopen, Tinten und Tuschen des arabisch-islamischen Mittelalters, Göttingen: Vandenhoeck & Ruprecht, 2004
[2] S. Fani, Le arti del libro secondo le fonti arabe originali. I ricettari arabi per la fabbricazione degli inchiostri (sec. IX-XIII): loro importanza per una corretta valutazione e conservazione del patrimonio manoscritto, PhD thesis, Napoli: Università L’Orientale, 2013
[3] C. Colini et. al, Manuscript cultures, 11 (2018) 43-50
Functional materials for energy conversion are important technology drivers needed for the implementation of low carbon energy. Therefore, researchers commonly focus on improving the intrinsic properties of a functional material. However, for applications, the extrinsic properties are at least as important as the intrinsic ones. Consequently, it is important to investigate and understand the external and internal structure of semi-finished products and especially defect dependent properties. The extrinsic properties may change during application and the life cycle of the material as well as through processing and molding steps.
Our studies show how X-ray tomographic (XCT) investigations can contribute to structure investigations in composites and massive samples using the example of magnetic materials for energy conversion. The components are tested non-destructively in 3D in order to localize and characterize cracks, pores, inclusions as well as other defects and their influence on the functional properties and also “in-time” during the life cycle of the material. Exsitu and in-situ experiments performed with non-destructive XCT are predestinated to follow damaging mechanisms of materials under certain load conditions, atmospheres or liquids, e.g. went through several working cycles of a functional material. By combining microtomography with other methods of magnetic and classical material characterization, unique statements about the structure and the functional properties can be made.
From the applications point of view, sometimes complex, three-dimensional geometries are needed to fully exploit the functional properties of the materials, e.g. to ensure a high surface area for heat exchange. Since many functional materials are brittle and difficult to form, shaping is often a big challenge. In principle, additive manufacturing processes offer the possibility to produce complex, porous components from poorly formable alloys.
If all stages of additive manufacturing are accompanied by X-ray tomographic imaging, the process of finding the optimal parameters for material processing can be significantly accelerated.
Based on the quality control of the initial powder material used and also investigations of the shape and arrangement of defects within the molten structure and their relationship with the melting path scanning strategy, Xray tomography has proven to be an ideal tool for additive manufacturing, even for functional materials. Overall, tomographic methods are important tools for the development of functional materials to application maturity.
The deep penetration laser beam welding (LBW) has developed to one of the most promising metal joining methods in the modern manufacturing industry. It has well-known advantages of good penetration capacity, low heat input, high reachable welding speed and low welding distortion in comparison to conventional arc welding techniques. However, there are still challenges in LBW making the realization of the advantages difficult, such as porosity or inhomogeneous element distribution when using filler material. The magnetohydrodynamics technique is a promising way to solve these issues by introducing a suitable electromagnetic field, and correspondingly Lorentz force, to control the Transport phenomena in the weld pool.
The underlying physics in wire feed laser beam welding with electromagnetic stirring were investigated numerically and experimentally. A three-dimensional transient heat transfer and fluid flow model coupled with dynamic keyhole, magnetic induction and element transport was developed for the first time. The electromagnetic behaviour as well as the temperature and velocity profiles, solidification parameters, keyhole evolution and element transport are calculated.
The model is well tested against the experimental results. The beneficial effects from electromagnetic stirring (element homogenization and grain refinement) are explained quantitatively using the numerical data and the results from high-speed imaging, OM, EDX and EBSD.
A thorough characterization of starting materials is the precondition for further research, especially for cement, which contains various phases and presents quite a complex material for fundamental scientific investigation. In the paper at hand, the characterization data of the reference cement CEM I 42.5 R used within the priority program 2005 of the German Research Foundation (DFG SPP 2005) are presented from the aspects of chemical and mineralogical compositions as well as physical and chemical properties. The data were collected based on tests conducted by nine research groups involved in this cooperative program. For all data received, the mean values and the corresponding errors were calculated. The results shall be used for the ongoing research within the priority program.
In recent years, the improved understanding of the formation of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) has led to an emerging variety of applications that modify the optical, mechanical and chemical properties of many materials. Such structures strongly depend on the laser beam polarization and are formed usually after irradiation with ultrashort linearly polarized laser pulses. The most accepted explanation for the origin of the structures is based on the interference of the incident laser radiation with electromagnetic surface waves that propagate or scatter at the surface of the irradiated materials. This leads to an intensity modulation that is finally responsible for the selective ablation in the form of parallel structures with periods ranging from hundreds of nanometers up to some micrometers. The versatility when forming such structures is based on the high reproducibility with different wavelength, pulse duration and repetition rate laser sources, customized micro- and nanometric spatial resolutions, and the compatibility with industrially relevant processing speeds when combined with fast scanning devices. In this contribution, we review the latest applications in the rapidly emerging field of surface functionalization through LIPSS, including biomimetic functionalities on fluid transport, control of the wetting properties, specific optical responses in technical materials, improvement of tribological performance on metallic surfaces and bacterial and cell growth for medical devices, among many others.
An effective method for evaluating the fatigue strength of thick unidirectional composite laminates of wing spar caps has been presented here. A typical width-tapered bending specimen has been developed for a four-point loading set up. Static and fatigue loading was performed at a load ratio R = -1. The complex stress state has been investigated numerically by finite element analysis. Finally, the concept is proven experimentally on specimens made of pultruded fibre rods.
The fatigue behavior of the continuously tapered width by water Jet cutting has been compared to discrete tapering via rod-drop. The new method enables a screening of material fatigue behavior caused by normal and shear loading.
In this presentation the main requirements of BAM-GGR 016 regarding maintenance and periodic inspections were explained. BAM ensures during acceptance of the quality management program that specific and relevant instructions for maintenance and periodic inspections are developed and handed to the operator of the packaging. Examples are given.
It was found for inorganic/polymer nanocomposites that a so-called Rigid Amorphous Phase (RAF) is formed in the interfacial region by adsorption of polymer segments onto the nanoparticles. The segmental dynamics of RAF is expected to be altered, as compared to the pure matrix, which might percolate into the entire system, affecting the overall nanocomposite properties. Here, the structure and molecular mobility of epoxy-based PNCs with different nanofillers (layered double hydroxide and boehmite) was studied by a combination of calorimetric and X-Ray scattering techniques. Temperature modulated DSC (TMDSC) showed that depending on the nanofiller, RAF can reach up to 40 wt % of the system or, on the contrary, the overall mobility of the matrix might increase due to the presence of particles. Such contrasting results, including the high amount of RAF, which was never shown before for epoxy-based PNCs, emphasize the importance of interfaces. Additionally, glass transition and glassy dynamics were investigated by a novel technique, Flash DSC (heating rates up to 10 kK/s) employed for the first time to a thermosetting system and electrospun fibers, which did not result in their degradation. It was used to study both the vitrification kinetics and glassy dynamics of the PNCs, for instance further confirming the presence of RAF and its impact on the overall material properties.
AKR an Betonfahrbahndecken - ausgewählte Einflussgrößen und neuartige AKR-Vermeidungsstrategie
(2019)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz vermehrt Schäden an vor 2005 hergestellten Betonfahrbahndecken aufgetreten, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Vor diesem Hintergrund werden in diesem Beitrag zunächst die Voraussetzungen und ausgewählte Einflussgrößen für eine schädigende AKR aufgezeigt.
Besondere Aufmerksamkeit wird dabei der Rolle des Tausalzeintrags durch den Winterdienst bei Betonfahrbahndecken geschenkt. So wird mit Löseversuchen in 1 M KOH-Lösung zweier Gesteinskörnungen bei 80 °C gezeigt, dass mit zunehmender NaCI-Zugabe die Löslichkeit von SiÖ2 zunimmt und die von AI2O3 eine Verminderung erfährt. Basierend auf dem so exemplarisch erbrachten Nachweis für die Verstärkung der schädigenden AKR durch das Tausalz wird die Notwendigkeit und Richtigkeit der Durchführung von AKR-Betonversuchen mit Alkalizufuhr im ARS 04/2013 zur zukünftigen Vermeidung von AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken im Rahmen von Neubau- und Erneuerungsmaßnahmen im Bundesfernstraßennetz belegt. Zusätzlich durchgeführte WS-Grundprüfungen nach dem ARS 04/2013 mit den beiden Gesteinskörnungen der Löse versuche veranschaulichen, dass die nach der Alkali-
Richtlinie des DAfStb als unbedenklich eingestuften Gesteinskörnungen bei den Betonversuchen mit Alkalizufuhr durchaus als alkaliempfindlich bewertet werden können. Dies wiederum führt zu einer Verminderung der für den Betonstraßenbau verfügbaren Gesteinskörnungen.
Vor diesem Hintergrund wird nach neuartigen AKR-Vermeidungsstrategien gesucht, die auch eine Verwendung der als grenzwertig alkaliempfindlich eingestuften Gesteinskörnungen erlaubt.
Einen möglichen Lösungsansatz stellt in diesem Kontext die Innenhydrophobierung des Fahrbahndeckenbetons dar. Es soll so durch die Behinderung des Feuchte- und Tausalzeintrags in den Beton der AKR-Schädigungsprozess signifikant vermindert werden. Für die Bewertung der Leistungsfähigkeit der Innenhydrophobierung zur Vermeidung bzw. Verminderung einer schädigenden AKR in Betonfahrbahndecken wird zurzeit im Aufträge der BASt an der BAM ein Forschungsvorhaben bearbeitet. Im Rahmen dieses Beitrags werden erste Ergebnisse dieses Projekts vorgestellt. So wird exemplarisch an einem Oberbeton (D > 8)/Unterbeton und einem Oberbeton 0/8 mit einer alkaliempfindlichen Gesteinskörnung der Einfluss zweier Hydrophobierungsmittel auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften ganzheitlich aufgezeigt und bewertet. Bei Letzteren stehen zunächst die mechanischen und hygrischen Parameter sowie der Frost-Tausalzwiderstand im Vordergrund. In einem weiteren Schritt wird der Einfluss beider Hydrophobierungsmittel auf die schädigende AKR mittels AKR-Betonversuchen mit Alkalizufuhr beleuchtet. Dabei gelangen ergänzend zur Beurteilung des Tausalzeintrags die Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) und zur Bewertung der Ausprägung der AKR und sekundären Ettringitbildung (SEB) die Dünnschliffmikroskopie zum Einsatz.
Der 60 °C-Betonversuch ist eine in Deutschland und international verbreitete Methode um die Empfindlichkeit von Gesteinskörnungen und Betonen hinsichtlich einer Alkali-Kieselsäure Reaktion (AKR) zu prüfen. Dieser Beitrag stellt eine neuentwickelte automatisierte Variante der Prüfmethode in einem Minireaktor vor. Dabei werden die Dehnungen von Betonprismen nicht, wie beim konventionellen Test manuell, sondern automatisch in entsprechend ausgerüsteten Prüfbehältern gemessen. Neben einer Reduzierung des Messaufwands bringt die automatisierte Prüfung im Minireaktor weitere Vorteile. Die Dehnungssignale werden, anders als bei der konventionellen Messung, quasi-kontinuierlich aufgezeichnet und bilden das Expansionsverhalten der Prismen detailliert ab. Außerdem bleiben Unterbrechungen der AKR-provozierenden Lagerung aus, die bei der konventionellen Prüfung notwendig sind. Im Beitrag werden die automatisierte und konventionelle Prüfung anhand der Dehnungen von Prismen zweier Gesteinskörnungen verglichen. In Übereinstimmung mit vorhergehenden Untersuchungen sind im Minireaktor gemessene Dehnungen systematisch kleiner als manuell gemessene. Als mögliche Ursache werden Unterschiede im Auslaugverhalten experimentell untersucht. Zur Überprüfung der Einstufung der zwei Gesteinskörnungen erfolgen außerdem Referenzprüfungen in der Nebelkammerlagerung bei 40 °C.
Tuff ist in vielen historischen Objekten in Deutschland verbaut, hat aber wegen seiner Porosität und hygrischen Eigenschaften eine schlechte Verwitterungsresistenz. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines gesteinsmehlmodifizierten Schutzsystems auf Kieselsäurebasis (GEMOSK) zur Konservierung verbauter Tuffe. Für die Schutzmittelherstellung wird eine geeignete Mischung aus Kieselsol und feinen Gesteinsmehlen aus Steinbruchrückständen und Tuffabfällen verwendet. Bei erfolgreichem Abschluss des Projektes kann GEMOSK im Denkmalpflegebereich eingesetzt werden. Dadurch werden die Bausubstanz besser erhalten, Tuffsteinressourcen eingespart und Tuffabfälle wiederverwertet.
In summary, we report a highly modular solid TTA-UC system comprising of a crystalline, thermally stable PCN222(Pd) MOF with CA-coated MOF channels and with a DPA annihilator embedded in a solution-like environment in the MOF channels. This solid material displays blue upconverted delayed emission with a luminescence lifetime of 373 us, a threshold value of 329 mW*cm-2 and a triplet–triplet energy transfer efficiency of 82%. This optical application adds another facet to the versatile chemistry of PCN-222 MOFs. The design concept is also applicable to other TTA-UC pairs and enables tuning of the UCL color, for example, by replacing DPA with other dyes as exemplarily shown for 2,5,8,11-tetra-tert-butyl-perylene, that yields UCL at 450 nm. Current work aims to reduce the oxygen sensitivity and to increase the retention of the trapped annihilators in organic environments, for example, by tuning the chain length of the carboxylic acid and by coating the MOF surface. In addition, the TTA-UC efficiency will be further enhanced by reducing the reabsorption of the UC emission caused by Pd(TCPP) and by optimizing the sensitizer/annihilator interface.
Das DED Auftragschweißen ist ein additives Fertigungsverfahren für Metalle, bei dem das Material schichtweise auf ein Substrat aufgetragen wird. Die schnellen Temperaturzyklen rufen Spannungsgradienten im Bauteil hervor. Der schichtweise Aufbau der Bauteile verursacht eine anisotrope Mikrostruktur. Mittels nachgelagerter Wärmebehandlung können diese Effekte verringert werden. Im anschließenden Schritt der Prozesskette wird das additiv hergestellte Bauteil mittels Drahterodieren von dem Substrat abgetrennt.
In diesem Beitrag wird eine thermo-mechanische Simulation der gesamten Prozesskette vorgestellt, welche den additiven Aufbau, Wärmebehandlung und das Abtrennen vom Substrat beinhaltet. Anstelle der in der Literatur üblichen schichtweisen Modellierungsstrategie für die DED Simulation wird das gesamte Bauteil in einem Stück vernetzt und der vollständig transiente, schichtweise Materialauftrag über Elementgruppen realisiert. Im Gegensatz zu früheren Simulationen muss der nichtlineare Kontakt zwischen den Schichten nicht berücksichtigt werden, was die Rechenzeiten deutlich verkürzt.
Das Modell wurde validiert mittels Abgleiches des Verzugs aus Simulation und Experiment.
Die Proben, bestehend aus DIN 1.4404 (AISI 316L), wurden nach jedem Prozessschritt 3D gescannt um den Verzug zu quantifizieren. Zusätzlich wurden Querschnitte und Härtetests nach Vickers von unterschiedlich behandelten Proben durchgeführt, um den Effekt der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur und die Härte des Bauteils zu untersuchen.
Das Fügeverfahren Kleben bietet viele Vorteile, wie z.B. das Verbinden unterschiedlicher Materialklassen, geringe thermische Belastung (und damit ggf. verbundene Strukturveränderung/-schwächung) der Fügeteile und eine Lastverteilung über den gesamten Fügebereich. Die Auswahl an verfügbaren Klebstoffen und Vorbehandlungsoptionen sind dabei - wie die Applikationen auch - vielfältig. Es werden vier Applikationsbeispiele zu Referenzklebverbunden aus Edelstahl, zur Plasmaaktivierung von Niedrigenergie-Polymeren, zur Bestimmung der Haftfestigkeit von Lackierungen auf GFK und zur Wirkung von Primern vorgestellt. Einige Polymere weisen z.B. Eigenschaften auf, die eine Herstellung von festen und dauerhaft beanspruchbaren Kleb-verbindungen erschweren. Im Allgemeinen geht dies mit geringen Oberflächenenergien einher. Mittels Oberflächenvorbehandlung, z.B. durch Plasmafeinreinigung bzw. Plasmaaktivierung, können die Grenzflächen solcher Polymere - bezogen auf die Eignung als Fügeteile (Klebfestigkeit) oder als Substrat (Haftfestigkeit) – optimiert bzw. die Oberflächenenergie erhöht werden. Schnelle, zuverlässige und statistisch abgesicherte Prüfverfahren zur Ermittlung von Verbund-eigenschaften sind dabei unverzichtbar.
Challenges in Traceable Size Measurement of Non-Spherical, Non-Monodisperse Nanoparticles - nPSize
(2019)
Size measurement of nanoparticles (NP) becomes a challenging analytical problem when non-spherical shapes must be traceably measured. However, most industrial NPs have irregular shapes and broad size distribution making it often more complex to follow European regulatory to identify a material as a nanomaterial according to which accurate measurement of the smallest dimension and its size Distribution is necessary.
The European research project nPSize - Improved traceability chain of nanoparticle size measurements aims to fill this gap by developing potential non-spherical reference nanoparticles, measurement procedures and physical modelling to improve the traceability chain, comparability and compatibility for NP size measurements between different methods. Therefore, new model NP with well-controlled shape has been synthesized and are supposed to be systematically characterized using the traceable methods scanning/transmission electron microscopy, atomic force microscopy and small angle X-ray scattering.
Following NP candidates are under investigation with respect to their homogeneity and stability: (i) titania nanoplatelets (10-15 nm thickness x 50-100 nm lateral), (ii) titania bipyramides (~60 nm length x 40 nm width), (iii) titania acicular particles (100 nm length x 15-20 nm width; aspect ratio 5.5/6), (iv) gold nanorods (~10 nm width x 30 nm length), and (v) gold nanocubes (~55 nm x 55 nm x 55 nm). In addition, sample preparation procedures as well as measurement analysis procedures with evaluation of appropriate measurands and descriptors for each material class and method are being developed to support standardization. To underpin the traceability of the size measurement of nonspherical NP, physical modelling of the signals in e.g. electron microscopy techniques will be used and in combination, the implementation of machine learning is aimed to facilitate measurement Analysis procedures, especially regarding the accurate thresholding/segmentation of the NPs.zeige mehr
When assessing the performance of welded components residual stresses are vital. The possibilities of transferring the real boundary conditions of welding, which influence the residual stress, into the laboratory are highlighted in this contribution. The potentials of a test system specially developed for this purpose are demonstrated. The component design induces global process-, geometry- and material-dependent stresses, which can be simulated and quantified in the system. In addition, the resulting local residual stress distribution can be exactly determined with high spatial resolution with the aid of X-ray diffraction. Examples are presented of how the conditions to be found during production are simulated in the laboratory.
Die Präsentation gibt einen Überblick bezüglich der von der BAM im Rahmen des SimCoLas Verbundprojekts durchgeführten Arbeiten zum Thema "Photonische Prozessketten". Die numerisch abgebildete Prozesskette Tiefziehen/Laserstrahlschweißen wird darsgestellt und diskutiert. Fokus der Diskussion ist die entwickelte Methodik zur konsistenten Abbildung numerischer Prozessketten mit der Applikation Heissrisskritikalität beim Laserstrahlschweißen.
Der Vortrag gibt einen Überblick über Arbeiten im Rahmen der Themenstellung "photonische Prozessketten" des SimCoLas Projekts. Es werden Ergebnisse zur Datendurchgängigkeit der Prozesskette Umformen/Laserstrahlschweißen sowie erste Ergebnisse zu numerischen Schweißstruktursimulationen zur Bewertung der Heissrisskritikalität eines tiefgezogenen Napfes beim Laserstrahlschweißen gegeben.
The potential of lowered surface features as well as the application of wear resistant coatings have been known for many years to improve the tribological behavior of forming tools. More recent studies also discuss the capability of protruded microfeatures for adjusting the tribological behavior between contacting surfaces. The demand for a high wear resistance of such structures as well as their economical and reliable production, however, often limits the industrial application. The laser implantation process can overcome these limitations. In contrast to conventional cw-laser dispersing processes, where the formation of uniform metal matrix composite layers is intended, this surface engineering technique aims to improve the tribological behavior of contacting surfaces by a localized dispersing of pre-placed hard ceramic particles. This enables the formation of deterministic textures composed of separated wear resistant dome- or ring-shaped microstructures (implants).
Since TaC shows very promising material properties for improving the wear resistance of tools exposed to severe operating conditions, this paper analyzes its suitability for pulsed laser implantation on X38CrMoV5-3 tool steel for the first time. In the experiments, the influence of the particles and the laser parameters (pulse power, pulse duration and focal diameter) on the material properties of the localized dispersed zones was studied by optical microscopy, scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy and X-ray diffraction. The composite´s (micro-) hardness was measured and calculated by using a rule of mixture. Additionally, the influence of the laser parameters and the TaC particles on the geometrical properties of the implants was studied by optical microscopy and white light interferometry.
The results showed that defect-free implants with hardness values of ~900 HV1 can be obtained at the focal spot, since a localized dispersing of the TaC particles is possible using a pulsed millisecond laser. However, in dependence of the laser intensity, also a partial dissolution of the initial particles occurs. This leads to the precipitation of new dendritic TaC nanoparticles and to varying contents of retained austenite in the matrix. Both effects have a strong influence on the implant hardness and must be considert by the rule of mixture. Regarding the geometrical response it was pointed out that protruded microfeatures with heights up to 10 µm can be created. In comparison to laser remelted zones, the implanted zones showed significantly altered weld pool profiles due to the influence of the particles on the melt convection. A transition of the implant shape from predominantly dome-shaped to predominantly ring-shaped was observed for intensities >1.7∙106 W/cm2 due to the onset of the keyhole effect.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Eigenschaften der photonenzählenden und spektralauflösenden Detektortechnik und möglichen Anwendungsgebieten in der zerstörungsfreien Prüfung. Dabei wurden konventionelle und photonenzählende Detektortechniken hinsichtlich der Bildqualität und Anwendbarkeit bei unterschiedlichen Prüfaufgaben verglichen und untersucht, inwiefern sich die Energieschwellwertsetzung auf die erreichbare Bildqualität und eine Materialdiskriminierbarkeit bei verschiedenen radiographischen Verfahren auswirkt.
Anhand von Anwendungsbeispielen wurden diese Eigenschaften und deren Auswirkung auf das Messergebnis analysiert. Neben der Radiographie wurden auch dreidimensionale Verfahren wie CT und Laminographie berücksichtigt.
Als eine der wichtigsten Eigenschaften der photonenzählenden Detektortechnik wurden zunächst die Energieauflösung des photonenzählenden Detektors und die Homogenität der Energieantwort über größere Detektorbereiche bestimmt. Dabei stellte sich heraus, dass die Energieauflösung eines abgegrenzten Detektorbereichs ca. 32 % bei 60 keV beträgt und die Streuung in der Energieantwort der einzelnen Detektorbereiche ca. 12 % ausmacht, woraus sich eine Gesamtunsicherheit in der spektralen Detektorantwort von ca. 44 % ergibt. Die geringe Energieauflösung und das stark heterogene Verhalten der Detektorbereiche ergeben sich vor allem aus der Detektorelektronik, welche nur eine globale Energieschwellwertsetzung zulässt.
Trotz dieser Einschränkungen konnte demonstriert werden, dass auch konventionelle radiographische Verfahren, wie Radiographie oder CT, vom Einsatz der photonenzählenden Technik profitieren. So ist es mit dieser Technik möglich, bei sehr geringen Dosisleistungen (z.B. aufgrund der Durchstrahlung großer Wandstärken von dichten Materialien) noch sehr gute Bildqualitäten zu erreichen. Die hohe Dynamik und Kontrastempfindlichkeit dieser Technik begünstigen die Inspektion von Leichtbauwerkstoffen wie Faserverbunde, was anhand von Vergleichen mit herkömmlicher Detektortechnik und anderen ZfP-Verfahren gezeigt werden konnte. Daneben konnte durch den Einsatz der Energieschwellwertsetzung der Einfluss von nicht bildzeichnender Streustrahlung im Röntgenbild um bis zu 20 % reduziert werden. Die Auswirkungen von Aufhärtungseffekten in der CT konnten sogar um bis zu Faktor 1 000 (in der mittleren quadratischen Abweichung), im Vergleich zu herkömmlicher Detektortechnik, reduziert werden.
Der Einsatz von photonenzählender Detektortechnik mit Röntgenblitzröhren ist hingegen nicht sinnvoll, da aufgrund der hohen Photonendichte pro Puls und einer endlichen Totzeit des Detektors in der Größenordnung der Pulsbreite eines Blitzes nur ein geringes Signal detektiert werden kann.
Im Hinblick auf eine Materialdiskriminierbarkeit konnte demonstriert werden, dass im Fall einer Radiographie anhand der Energieschwellwertsetzung im Detektor eine materialstärkenunabhängige Diskriminierung zwischen zwei Materialien (hier: Al und Fe) erzielt werden kann. Unter Einsatz mehrerer Energiefenster und eines Verfahrens der explorativen und multivariaten Datenanalyse konnte eine materialaufgelöste CT eines Multi-Material-Phantoms erreicht werden, wobei die Schwächungskoeffizienten der enthaltenen Materialien im relevanten Energieberiech teilweise sehr dicht beieinander lagen.
Neben Radiographie und CT wurde auch die Möglichkeit einer materialaufgelösten Laminographie am Beispiel eines glasfaserverstärkten Rotorblatts untersucht. Anhand der Energieschwellwertsetzung war nicht nur eine eindeutige Trennung der Glasfasern von der Epoxidharzmatrix möglich, sondern auch eine signifikante Reduzierung der durch die Laminographie entstandenen Artefakte. Der damit verbundene Gewinn an Information führt zu einer verbesserten Aussagefähigkeit des Untersuchungsergebnisses, was letztendlich eine gesteigerte Betriebssicherheit zur Folge hat.
Laser beam welding of aluminum die casting is challenging. A large quantity of gases (in particular hydrogen) is absorbed by aluminum during the die-cast manufacturing process and is contained in the base material in solved or bound form. After re-melting by the laser, the gases are released and are present in the melt as pores. Many of these metallurgic pores remain in the weld seam as a result of the high solidification velocities. The natural (Archimedean) buoyancy is not sufficient to remove the pores from the weld pool leading to process instabilities and poor mechanical properties of the weld. Therefore, an electromagnetic (EM) system is used to apply an additional buoyancy component to the pores. The physical mechanism is based on the generation of Lorentz forces, whereby an electromagnetic pressure is introduced into the weld pool. The EM system exploits the difference in electrical conductivity between poorly conducting pores (inclusions) and the comparatively better conducting aluminum melt to increase the resulting buoyancy velocity of the pores. Within the present study, the electromagnetic supported degassing is investigated in dependence on the laser beam power, welding velocity and electromagnetic flux density. By means of a design of experiments a systematic variation of these parameters is carried out for partial penetration laser beam welding of 6 mm thick sheets of wrought aluminum alloy AlMg3 and die-cast aluminum alloy AlSi12(Fe) where the wrought alloy serves as a reference. The proportion of pores in the weld seams is determined using X-ray images, computed tomography (CT-) images and cross-section images. The results prove a significant reduction of the porosity up to 70 % for both materials as a function of the magnetic flux density
The paper describes a systematic investigation of the EM influenced laser beam welding of the aluminum die casting alloy AlSi12(Fe) in comparison to a reference material, a wrought aluminum alloy AlMg3. By using of a face centred CCD test plan, the influencing variables laser power, welding velocity and magnetic flux density are varied with regard to their influence on the remaining porosity. The global pore fraction of the weld seams was analyzed by X-ray images with ImageJ. This enabled a qualitatively very good regression model to be derived for the respective material, which identifies the dominant influencing variables. The results prove, statistically verified, for the investigated parameter range, that
- the magnetic flux density is the main cause for the porosity reduction,
- the porosity rises with increasing laser power the porosity in the weld seams rises,
- the influence of the welding velocity is negligible,
- the pore quantity in wrought alloy is more strongly minimized by the magnetic flux density than in die casting,
- the porosity decreases due to the EM influence by approx. 70 % compared to the unaffected welds. This effect is emphasized by the contour line charts, which illustrate the relationship between laser power and magnetic flux density.
With the exception of the quadratic influence of B at the wrought alloy, the statistical correlation shows a linear development of the respective influence variables for both aluminum alloys. In order to investigate these deviations, further simulations with a focus on weld pool geometry and weld pool flow are to be performed. In addition, the welding results can be classified in accordance with DIN EN ISO 13919-2 in the highest evaluation group B for AlMg3 and in evaluation group C for AlSi12(Fe) by applying a magnetic flux density of 350 mT. The analysis of the CT images at constant laser power and welding velocity allows a direct comparison both between the two alloys and also as a function of the magnetic flux density with regard to the number and size of pores. An increase in the magnetic flux density leads to a significant decrease in the number and volume of pores, which can be seen more clearly in wrought alloy than in die casting. Very acceptable results can be achieved for both materials and different welding parameters. This successfully demonstrates the desired process robustness and functionality of the EM system for practical applications. For subsequent investigations of overlap joints, the lowest possible laser power and a high magnetic flux density are recommended.
Friction stir welding (FSW) of high-melting temperature alloys, such as steel and Inconel, requires tooling that can survive under the applied loads at the elevated temperatures. Tungsten-Rhenium (W-Re) alloys are a suitable candidate for this application; however, the costs typically associated with achieving the required densities and grain structure for the tooling are high due to the lengthy traditional processing required. Further costs are incurred in machining the starting bar stock to the final FSW tooling configuration. An alternate processing method is used in this study to shorten the fabrication time using direct current sintering which rapidly consolidates the starting powders at lower temperatures than used in traditional powder metallurgy. Although this process enables retention of the fine grain size, the sintering time is too short to form the desired single, solid phase. Therefore, the specimens were subjected to a post-consolidation heat treatment to fully solutionize the W matrix. Once the desired density and solid solution phase was verified in coupons, the final processing parameters were used to consolidate a net shape tool for FSW.
Diffraction-based experimental determination of Residual Stress in AM parts: A critical discussion
(2019)
Additive manufacturing (AM) technologies have experienced an exceedingly rapid growth, not always paralleled by the knowledge about the materials properties and performance. In particular, residual stress (RS) has been soon recognized as an issue in AM parts, so that parts are always post-heat-treated. Moreover, much effort has been spent on simulating RS, especially using finite element methods.
The experimental determination of RS has thereby become increasingly important, and even simple data constitute (to date) a piece of knowledge to fill the above-mentioned gap. In particular, diffraction methods, which are basically non-destructive, offer enormous possibilities to gain knowledge on real components, since neutrons and synchrotron radiation can penetrate even heavy metals up to several millimeters (or even centimeters). Indeed, some success has been obtained, and the knowledge about the origins of the RS fields, as well as their variation as a consequence of heat or mechanical treatments, has been greatly expanded.
In this talk, a few success stories will be outlined. It will be shown how the determination of RS in metallic parts (with focus on those produced by laser powder bed fusion) has even allowed showing that process parameters that were considered unimportant play a major role in the onset of stress.
However, while RS is starting to be considered in the part design, deposition strategy (e.g. build plate temperature), and even in the definition of the relevant metric to assess the quality of a part, much is still to be investigated about the hypotheses underlying its experimental determination. Therefore, some aspects to be aware of, or even to date unclear will also be discussed, such as the determination of the reference unstrained samples and of the principal axes of stress. All these aspects will draw the path towards a comprehensive understanding of the process-structure-performance relationships in AM materials and parts.
The second edition of this textbook on physical electrochemistry, written by two experienced teachers of physical chemistry, corrosion engineering and materials science and engineering, covers the current knowledge which should be transferred to students of these fields.
In 20 chapters the fundamentals of electrochemistry, the most important electrochemical measurement techniques and applications of electrochemistry are covered.
It can be concluded that this study fulfills its intension of “serving as a key textbook in undergraduate courses” dealing with electrochemistry and being “a reference source for graduated students, researchers and engineers” interested in this field. Teachers will find sufficient content for preparing lectures on this topic. Even self‐learning is well supported by the clear structure, presented content and provided sources for further reading.
Dieser umfangreiche Leitfaden gibt Auskunft zur thermisch‐mechanischen Beständigkeit von 199 Eisen‐, 77 Nickelbasis‐ und 23 Kobaltbasislegierungen und ist ein sehr gutes und bestimmt erweiterbares Nachschlagewerk für Konstrukteure und Praktiker, die über den Einsatz geeigneter Werkstoffe in hohen Temperaturen entscheiden müssen.
The laser-based direct energy deposition (DED) as a technology for additive manufacturing allows the production of near net shape components. Industrial applications require a stable process to ensure reproducible quality. Instabilities in the manufacturing process can lead to faulty components which do not meet the required properties.
The DED process is adjusted by various parameters such as laser power, velocity, powder mass flow and spot diameter, which interact with each other. A frequently used comparative parameter in welding is the energy per unit length and is calculated from the laser power and the velocity in laser welding. The powder per unit length comparative parameter in the DED process has also be taken into account, because this filler material absorbs energy in addition to the base material.
This paper deals with the influence of mass energy as a comparative parameter for determining the properties of additively manufactured parts. The same energy per unit length of 60 J/mm as well as the same powder per unit length of 7.2 mg/mm can be adjusted with different parameter sets. The energy per unit length and the powder per unit length determine the mass energy. The laser power is varied within the experiments between 400 W and 900 W. Energy per unit length and powder per unit length are kept constant by adjusting velocity and powder mass flow. Using the example of Inconel 718, experiments are carried out with the determined parameter sets. In a first step, individual tracks are produced and analyzed by means of micro section. The geometry of the tracks shows differences in height and width. In addition, the increasing laser power leads to a higher dilution of the base material. To determine the suitability of the parameters for additive manufacturing use, the individual tracks are used to build up parts with a square base area of 20x20 mm². An investigation by Archimedean principle shows a higher porosity with lower laser power. By further analysis of the micro sections, it can be seen that at low laser power, connection errors occur between the tracks.
The results show that laser power, velocity and powder mass flow have to be considered in particular, because a constant mass energy can lead to different geometric as well as microscopic properties.
Ferritic spheroidal graphite cast iron (SGI) materials have a remarkable technical poten-tial and economic impact in modern industry. These features are closely related to the question of how the cast materials can be produced without structural defects and graphite degenerations such as for example chunky graphite. Although the chunky graphite degeneration superficially seems to be well known, its metallurgical background is still controversially discussed, appropriate field-tested non-destructive tools for its quantification in castings are lacking and the knowledge on its impact on material properties is fairly limited. Addressing this status, the article is providing a current overview on the subject. Existing theories on formation and growth mechanisms of chunky graphite are briefly reviewed. Furthermore, from a metallurgical point of view, causes for the appearance of chunky graphite as well as preventive measures are concisely summarized. Particular attention is paid to the morphology of chunky graphite and how it can be characterized by destructive and non-destructive techniques. Special emphasis was laid on providing a comprehensive overview on the impact of chunky graphite on strength, ductility, fatigue limit, fatigue crack growth rate as well as fracture tough-ness of ferritic SGI materials based on experimental data. Moreover, conclusions for the assessment of castings affected by chunky graphite are drawn.
Die zunehmenden Nachweise von Kunststoffen in verschiedenen Umweltmedien erfahren in den letzten Jahren weltweit ein zunehmendes wissenschaftliches, gesellschaftliches und politisches Interesse. Besondere Aufmerksamkeit erfahren Kunststoffpartikel von 1-1.000 µm sogenanntes Mikroplastik. Es wurde mittlerweile in Wasser, Böden, Luft und Biota nachgewiesen. Obwohl die Wirkungen auf die natürlichen Umweltfunktionen noch unklar sind und kontrovers diskutiert werden, ist allein durch die ubiquitäre Präsenz eine systematische Erfassung von Eintragsquellen und Verbleib der Partikel über alle Umweltmedien notwendig, um Maßnahmen zur Reduktion der Einträge zu veranlassen.
Für eine zuverlässige Erfassung sind medienübergreifende Verfahren zu entwickeln, welche die drei analytischen Schritte, Probennahme, Probenaufbereitung und Detektion beinhalten. Die Verfahren adressieren unterschiedliche Zielgruppen, welche verschiedene analytische Informationen fordern. Für die akademische Bewertung werden Verfahren mit hohem analytischen Aufwand favorisiert, welche möglichst detaillierte Information über Partikelsorte, -größe, -zahl und -oberflächenbeschaffenheit geben. Im Gegensatz dazu, fordern Anwender aus der Praxis schnelle und einfache Monitoring Verfahren, welche die Bestimmung eines Massengehaltes, bzw. eines Grenzwertes zulassen. Allen ist gemeinsam, dass ein hoher interdisziplinärer Anspruch besteht, der sowohl technische Voraussetzungen zur repräsentativen Probennahme und die Limitationen von Detektionsverfahren berücksichtigt, als auch die Fachkompetenz von Biologen, Umweltwissenschaften, Analytiker und Polymerwissenschaftler einschließt.
Verfahren zum Mikroplastiknachweis müssen auch verschieden Proben mit sehr unterschiedlichen Gehalten an natürlicher Matrix gerecht werden. So müssen allein für Wasser Verfahren entwickelt werden, die Mikroplastik verschiedener Form (sphärische Partikel, komplexe Bruchstücke, Fasern) aus Medien mit sehr variablen Partikelanteil (u.a. Trinkwasser, Oberflächenwasser, Abwasser) repräsentativ erfassen sowie schnell und kostengünstig sind – einschließlich der notwendigen Probenaufbereitung. Die jeweiligen Detektionsverfahren müssen z.B. einzelne Partikel oder integrale Gehalte über drei Dekadenklassen für thermoplastische und insbesondere auch elastomere Partikelsorten erfassen können.
Casks for storage and transportation of used fuel rods of radioactive material are equipped with polyethylene (PE) for improved neutron flux shielding. The embedded PE structures are additionally exposed to gamma radiation and heat flow due to the specific high activity of the fission products. 60Co γ-radiation and heat load experiments at 125°C has been performed to evaluate PE degradation during the ageing process. FAR-FTIR-experiments were subsequently performed at differently aged PE test samples to characterize the oxidation process and morphological changes in the samples during the ageing at 125°C.
Im Vortrag werden Ergebnisse eines Forschungsvorhabens des DVS vorgestellt, in dem ein Verfahren zur Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich einer laserstrahlhybridgeschweißten Rundnaht entwickelt wird. Die Strategie der Prozessführung beim Schließen der Rundnaht sieht hervor, dass ein fehlerfreier Überlappbereich durch die Kontrolle der Erstarrungsbedingungen am Schweißnahtende erreicht wird. Die kontrollierte Wärmeführung wird durch eine Anpassung der Parameter von beiden beteiligten Schweißprozessen, dem Laserstrahl- sowie MSG-Schweißprozess realisiert. Es konnte gezeigt werden, dass eine Defokussierung des Laserstrahls von bis zu 40 mm über den Weg von max. 15 mm während der Bewegung des Schweißkopfes zu einer deutlich besseren Nahtausbildung im Überlappbereich führt. Es konnte eine günstige kelchförmige Schweißnahtform ohne eine Tendenz zur Rissbildung erzielt werden.
Recent facade fires worldwide have driven change in regulations for façade fire safety in different parts of the world. The Grenfell Tower fire 2017 in London triggered a thorough investigation of many aspects of the fire. One investigation was about the UK building regulations from Dame Judith Hackett. This investigation compares the UK with the situation other parts of the world. Key findings of the review of building regulations by Judith Hackett are:
We report the synthesis and characterization of carbon nanodots (CDs) with high quantum yield (>50%) and tailored optical absorption as well as emission properties. A well-described protocol with polyethyleneimine (PEI) as amine precursor is used as a reference to a new CD system which is stabilized by aromatic 2,3-diaminopyridine (DAP) molecules instead. The DAP stabilizer is installed in order to red-shift the absorption peak of the n-π* electron transition allowing efficient radiative recombination and light emission. Size, shape, and chemical composition of the samples are determined by (HR)TEM, EDX and FTIR-spectroscopy. Optical parameters are investigated using UV-VIS, PL and QY measurements. Several parameters such as concentration, excitation wavelength and pH are studied. Zeta-potential analysis indicate that pH-induced (de-)protonation processes of functional moieties directly affect the n-π* energy bands. This results in unique pH-dependent absorption and emission characteristics which are discussed on the specific chemical composition of each CD system.
Extensometer sind seit Jahrzehnten im Einsatz und bilden die Basis für eine präzise Dehnungsmessung in werkstoffmechanischen Versuchen. Jedoch ist die Temperaturstabilität von Extensometern häufig noch nicht ausreichend beachtet worden, um Fehler verursacht durch Temperaturschwankungen zu minimieren. Dieses wird derzeit nicht nur in Deutschland, sondern auch international zunehmend diskutiert. Datenblätter von Extensometern sind teils unvollständig besonders hinsichtlich von Temperatureinflüssen. Extensometer für den Einsatz bei höheren Temperaturen sollen z.B. laut Normen für dehnungsgeregelte Ermüdungsversuche mit Luft oder Wasser aktiv gekühlt werden. Jedoch schreiben die Normen keine Temperatur-Toleranzen für Extensometer vor. Dehnungsfehler verursacht durch Temperaturschwankungen am Extensometer bleiben meist verborgen, da die Temperatur des Extensometers standardmäßig gar nicht gemessen wird. Die Ursache von Einflüssen zur Temperaturstabilität von Extensometern wird erläutert. Ein einfaches Rechenbeispiel zeigt die Empfindlichkeit von Extensometern gegenüber Temperaturschwankungen und die Auswirkungen auf den Dehnungsfehler. Lösungsmöglichkeiten zur Optimierung werden aufgezeigt. Der Anwender von Extensometern soll sensibilisiert werden, um der Temperaturstabilität von Extensometern sowohl hinsichtlich Herstellerspezifikationen als auch bei der Anwendung von Extensometern im Prüflabor mehr Aufmerksamkeit zu schenken, um letztlich die Qualität von Versuchsergebnissen zu verbessern. Empfehlungen an Extensometerhersteller werden formuliert. Dieses Thema wird zukünftig auch in Prüfnormen mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Es werden Maßnahmen zur Verbesserung der Temperaturstabilität von Extensometern Einzug in Prüfnomen finden, um letztlich verlässlichere Versuchsergebnisse zu erhalten. Es ist beabsichtigt, eine Verbesserung der Temperaturstabilität von Extensometern z.B. bei der nächsten Revision der Prüfnormen ISO 12106 und ISO 12111 für dehnungsgeregelte LCF- und TMF-Versuche zu berücksichtigen.
Localized laser surface treatments are able to produce tailor-made surface properties to fulfill requirements of a variety of technical applications. Especially micrometric surface topologies can be beneficial for optimizing tribological contact situations. Structures with lowered surface features are already utilized for bearings or cylinders of combustion engines. There are also other fields of application, where the potential of protruding surface features is known, e. g. for metal forming tools.
A promising approach for a tailored surface treatment working in the microsecond range is the localized dispersing of hard ceramic particles by pulsed laser radiation, the so-called laser implantation. This technique is able to produce micrometric surface structures and to improve simultaneously the wear resistance by creating metal matrix composites.
In this talk, the laser implantation technique is described and compared to the state of the art. The potential to adjust the geometry as well as the mechanical properties of laser implanted surfaces is demonstrated by means of microstructural and topographical investigations of different ceramic materials and steel substrates. Finally, results of research projects are presented aiming on the application of such structured surfaces. Their capability to change and optimize friction and wear are demonstrated for fully lubricated contacts, tools for hot sheet metal forming and tools for cold rolling of sheets for automotive applications.
Das Prozessmonitoring stellt einen wichtigen Baustein für eine Qualitätssicherung additiv gefertigter Bauteile dar, insbesondere bei kleinen Losgrößen. Der Vortrag zeigt einen Überblick aktueller Entwicklungen der BAM im Bereich des Prozessmonitorings für das Laserstrahlschmelzen (laser powder bed fusion) metallischer Werkstoffe. Durch Vergleich mit der Referenzmethode Computertomografie wird am Beispiel der thermografischen Verfahren gezeigt, wie relevante Defekte in Bauteilen detektiert werden können und Einsatzpotenziale sowie Limitierungen aufgezeigt.
Polymers of intrinsic microporosity (PIMs) have recently emerged as novel materials for a broad range of high-performance applications from gas separation to electronic devices. The very rigid, contorted polymer chains show only limited molecular mobility and therefore pack inefficiently giving rise to intrinsic microporosity with pore sizes generally smaller than 1 nm resulting in BET surface areas larger than 700 m2/g. Using conventional thermal analysis techniques, no glass transition temperature (Tg) of PIMs could be unambiguously detected up to now. Employing fast scanning calorimetry (FSC) based on a one chip sensor, decoupling the time scales responsible for the glass transition and the thermal decomposition is a reliable strategy to overcome this limitation. The FSC device is capable to heat and cool a small sample (ng-range) with ultrafast rates of several ten thousand K/s. Evidence of a glass transition is obtained for a series of PIMs with different chain rigidities. Local small-scale fluctuations are held responsible for the glass transition of highly rigid PIMs rather than segmental motions as in conventional polymers.