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Industriezweige wie die Glas-Industrie, die Kraftwerkstechnik sowie die Luft- und Raumfahrttechnik müssen kontinuierlich neue Methoden entwickeln, sowie bestehende Verfahren optimieren, um in ihren Bereichen wettbewerbsfähig zu sein bzw. neue Anforderungen an Umwelt- und Klimaschutz zu erfüllen. Dies beinhaltet oft die Entwicklung neuer Materialien, die leichter zu fabrizieren sind und sowohl mechanisch als auch thermisch höheren Belastungen standhalten. Für die genannten Industriezweige sind Prozesse mit hohen Betriebstemperaturen bis zu 3.000 °C kennzeichnend und damit ist die Kenntnis von Materialeigenschaften bei diesen extremen Temperaturen von großer Bedeutung. Auch wenn es bereits einige Messapparaturen für die Bestimmung von thermophysikalischen Materialdaten bei hohen Temperaturen gibt, muss die Rückführung dieser auf die SI Basiseinheiten gewährleistet werden, um die Zuverlässigkeit der gemessenen Daten für die Anforderung der genannten Branchen sicherzustellen.
Diese Aufgabe ist das Ziel des EMPIR-(European Metrology Programme for Innovation and Research) Projektes Hi-TRACE [1]. Hi-TRACE zielt darauf ab, Referenzapparaturen und neue
Methoden für die Messung von thermophysikalischen Materialeigenschaften, (thermische Diffusivität, spezifische Wärme, Emissionsgrad und Schmelztemperatur) sowie der Haftung
von Schichten über 1.000 °C zu bestimmen.
Das direkte Metall-Laser-Schmelzen (DMLS) aus der Familie der Additiven Fertigungsverfahren (AM) ermöglicht die schichtweise Erzeugung komplexer dreidimensionaler Geometrien mit hoher relativer Dichte unter Verwendung von Metallpulver als Ausgangsmaterial [1]. Die Technologie wird zunehmend eingesetzt, um innovative Bauteile material- und gewichtssparend herzustellen oder komplexe Produkte ohne zusätzliche Werkzeuge oder Spannvorrichtungen zu fertigen. Darüber hinaus sind Funktionsintegrationen, zum Beispiel Gussformen mit eingeprägten Kühlkanälen, möglich. Da einzelne Metallpulverschichten auf vorhergehende Schichten aufgeschmolzen werden, entstehen während der Herstellung des Bauteils komplexe, zeitabhängige Temperaturprofile [2]. Durch den Einsatz hoher Laserintensitäten und Scangeschwindigkeiten, bei denen die Belichtungszeit der Laserbestrahlung im Bereich von Millisekunden liegt, werden zudem extrem hohe Aufheiz- und Abkühlraten induziert, die zu einzigartigen Mikrostrukturen und Materialeigenschaften führen [3].
Diese extremen Prozessbedingungen können sich jedoch auch negativ auf den Fertigungsprozess auswirken. Bei komplexen Bauteilen bleibt die Prozessstabilität und Qualitätssicherung Umfragen zufolge weiterhin die wichtigste technologische Barriere für den Einsatz additiv gefertigter Bauteile in hochbelasteten oder sicherheitsrelevanten Bereichen [4]. Daher verspricht der Zusammenhang zwischen Temperaturprofil während der Fertigung, relativer Dichte der Bauteile, sowie thermophysikalischer Eigenschaften additiv gefertigter Proben wichtige Erkenntnisse, insbesondere im Hinblick auf eine zerstörungsfreie Qualitätssicherung, sowie neue Anwendungsmöglichkeiten.
Additive manufacturing processes, particularly Laser-Based Powder Bed Fusion of Metals (PBF-LB/M), enable the development of new application possibilities due to their manufacturing-specific freedom of design. These new fields of application require a high degree of component quality, especially in safety-relevant areas. This is currently ensured primarily via a considerable amount of downstream quality control. Suitable process monitoring systems promise to reduce this effort drastically. This paper introduces a novel monitoring method in order to gain process-specific thermal information during the manufacturing process. The Synchronized Path Infrared Thermography (SPIT) method is based on two synchronized galvanometer scanners allowing high-speed and high-resolution observations of the melt pool in the SWIR range. One scanner is used to steer the laser over the building platform, while the second scanner guides the field of view of an IR camera. With this setup, the melting process is observed at different laser powers, scan speeds and at different locations with respect to the laser position, in order to demonstrate the positioning accuracy of the system and to initially gain thermal process data of the melt pool and the heat-affected zone. Therefore, the SPIT system shows a speed independent overall accuracy of ±2 Pixel within the evaluated range. The system further allows detailed thermal observation of the melt pool and the surrounding heat-affected zone.
Nowadays, additive manufacturing processes are becoming more and more appealing due to their production-oriented design guidelines, especially with regard to topology optimisation and minimal downstream production depth in contrast to conventional technologies. However, a scientific path in the areas of quality assurance, material and microstructural properties, intrinsic thermal permeability and dependent stress parameters inhibits enthusiasm for the potential degrees of freedom of the direct metal laser melting process (DMLS). Especially in quality assurance, post-processing destructive measuring methods are still predominantly necessary in order to evaluate the components adequately. The overall objective of these investigations is to gain process knowledge make reliable in situ statements about component quality and material properties based on the process parameters used and emission values measured. The knowledge will then be used to develop non-destructive tools for the quality management of additively manufactured components. To assess the effectiveness of the research design in relation to the objectives for further investigations, this pre-study evaluates the dependencies between the process parameters, process emission during manufacturing and resulting thermal diffusivity and the relative density of samples fabricated by DMLS. Therefore, the approach deals with additively built metal samples made on an EOS M290 apparatus with varying hatch distances while simultaneously detecting the process emission. Afterwards, the relative density of the samples is determined optically, and thermal diffusivity is measured using the laser flash method. As a result of this pre-study, all interactions of the within factors are presented. The process variable hatch distance indicates a strong influence on the resulting material properties, as an increase in the hatch distance from 0.11 mm to 1 mm leads to a drop in relative density of 57.4%. The associated thermal diffusivity also reveals a sharp decrease from 5.3 mm2/s to 1.3 mm2/s with growing hatch distances. The variability of the material properties can also be observed in the measured process emissions. However, as various factors overlap in the thermal radiation signal, no clear assignment is possible within the scope of this work.
Mittels der planaren laserinduzierten Fluoreszenz (PLIF) können im Brennraum eines Transparentmotors Messungen durchgeführt werden, die den Gemischbildungsprozess beim Wasserstoffmotor zweidimensional qualitativ darstellen. Auch quantitative Messungen und damit Aussagen über das Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Brennraum sind möglich. Für diese Messungen wird ein Gasgemisch ans Helium und einer Tracersubstanz verwendet, und der Motor wird geschleppt. Bei Betrieb des Motors in der Teillast sind auch Messungen im gefeuerten Betrieb, d.h. mit Wasserstoff und zugesetzter Tracersubstanz, möglich. Durch direkte Messung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses und der Wasserstoffkonzentration am befeuerten Aggregat mit Hilfe der Raman-Spektroskopie konnte nachgewiesen werden, daß mittels PLIF der Einströmvorgang qualitativ und das Kraftstoff-Luft-Verhältnis quantitativ grundsätzlich richtig erfaßt werden. Qualitative und quantitative PLIF-Messungen sind prinzipiell nicht nur bei Wasserstoffmotoren, sondern auch bei Gasmotoren mit anderen Brenngasen denkbar. Allerdings sind noch weitere Arbeiten erforderlich, um den Quantifizierungsfehler deutlich abzusenken. Zukünftiges Verbesserungspotential für diese Meßtechnik besteht in verschiedenen Punkten. Dazu gehört die Optimierung und Anpassung der Mischstrecke zur Erzeugung des Gas-Luft-Gemisches mit definiertem Kraftstoff-Luft-Verhältnis an die jeweiligen Meßaufgaben, um den relativen Fehler des Lambda-Wertes noch weiter zu reduzieren. Eine Verringerung der Tracerkonzentration erscheint problemlos möglich. Um das Problem der Hintergrundfluoreszenz zu lösen, sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, die noch genauer zu untersuchen sind.
Planar laser-induced fluorescence (PLIF) has been successfully used for the investigation of the mixture formation process in hydrogen engines for passenger cars. Detailed information has been obtained about process development (qualitative measurement) and on fuel/air-ratio (quantitative measurement) inside the combustion chamber. These results can be used for further optimization of mixture formation and combustion process concerning emissions and fuel consumption. The measurement technique used is not only limited to hydrogen or to passenger car engines, but can also be applied to other fuel gases like natural gas or to other engine sizes like bus engines. The main topic of this paper is the experimental verification of the procedure which was executed by simultaneous PLIF and Raman scattering measurements. By Raman scattering the fuel/air-ratio can directly be determined from direct concentration measurements of the different gas species. The fuel/air-ratios determined by PLIF and Raman measurements are in good agreement indicating that a quantitative fuel/air-ratio measurement during the mixture formation process of gas and hydrogen engines is possible by PLIF. This fact is also confirmed by other measurements, e.g., global fuel/air-ratio calculated from measured intake air and fuel gas flow.
The temperature of high voltage equipment is often the limiting factor when transmitting electrical energy because the electrical insulation can get severely aged when the temperature is exceeding a certain limit. Hence, cooling has to be improved or heat generation must be reduced to avoid damage of the insulation. In this paper a new method was examined by investigating electrically insulating phase change materials which are able to store latent heat during a phase change from the solid to liquid state in times of high energy demand. To verify the electrically insulating properties of paraffins, one class of phase change materials, a special test cell was designed allowing the determination of breakdown voltage of phase change materials. The measurements on one paraffin sample proved the promising electrical insulating properties and it was shown that the breakdown voltage in the liquid state is comparable …
Paraffine als Phasenwechselmaterialen in der elektrischen Isolierung von Hochspannungsbauteilen
(2016)
High-temperature calibration methods in additive manufacturing involve the use of advanced techniques to accurately measure and control the temperature of the build material during the additive manufacturing process. Infrared cameras, blackbody radiation sources and non-linear optimization algorithms are used to correlate the temperature of the material with its emitted thermal radiation. This is essential for ensuring the quality and repeatability of the final product. This paper presents the calibration procedure of an imaging system for in-situ measurement of absolute temperatures and temperature gradients during powder bed fusion of metal with laser beam (PBF-LB/M) in the temperature range of 500 K–1500 K. It describes the design of the optical setup to meet specific requirements in this application area as well as the procedure for accounting the various factors influencing the temperature measurement. These include camera-specific effects such as varying spectral sensitivities of the individual pixels of the sensor as well as influences of the exposure time and the exposed sensor area. Furthermore, influences caused by the complex optical path, such as inhomogeneous transmission properties of the galvanometer scanner as well as angle-dependent transmission properties of the f-theta lens were considered. A two-step fitting algorithm based on Planck's law of radiation was applied to best represent the correlation. With the presented procedure the calibrated thermography system provides the ability to measure absolute temperatures under real process conditions with high accuracy.