Augmented Reality kann Optimierung der Produktion hemmen

Beschäftigte mit AR-Brillen arbeiten schneller, verinnerlichen aber weniger

Beschäftigte in der Industrie können deutlich schneller produzieren, wenn sie über Augmented-Reality-Brillen angeleitet werden. Allerdings verinnerlichen sie ihre Aufgaben weniger als Arbeiterinnen und Arbeiter, die analog eingearbeitet werden. Entsprechend können sie weniger zur Verbesserung der Produktionsprozesse beitragen, zeigt eine internationale Studie. Die Erkenntnisse können Unternehmen helfen, Augmented-Reality-Anwendungen auf ihre Bedürfnisse zuzuschneiden sowie zwischen Produktivität und Prozessoptimierung abzuwägen. Weiterlesen

Neues Sensorkonzept erhöht die Effizienz von Umformmaschinen

© Fraunhofer IWU/Dirk Hanus Anhand eines Umformpressen-Demonstrators können sich Besuchende live ein Bild über die Funktionsweise des intelligenten Nutensteins machen. Die vom smartNotch übertragenen Prozessdaten werden dabei auf einem angeschlossenen Terminal visualisiert.

© Fraunhofer IWU/Dirk Hanus: Anhand eines Umformpressen-Demonstrators können sich Besuchende live ein Bild über die Funktionsweise des intelligenten Nutensteins machen. Die vom smartNotch übertragenen Prozessdaten werden dabei auf einem angeschlossenen Terminal visualisiert.

Umformpressen sind ein wichtiger, weit verbreiteter Baustein im industriellen Fertigungsprozess. Vom Automobil bis zum Kühlschrank – fast in jedem Produkt sind Umformteile enthalten. Die Anschaffungskosten der Maschinen können zweistellige Millionenbeträge erreichen. Ihre exakte Einrichtung und Justierung nimmt viel Zeit in Anspruch. Bei derart hohen Investitionskosten wünschen sich die Käufer eine lange und effiziente Laufzeit ohne Qualitätsverluste. Auf der Hannover Messe 2022 zeigt der Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT, wie sich mithilfe kognitiver Transformation von Industrieprozessen die Effizienz von Umformmaschinen erhöhen lässt (Halle 5, Stand A06). Basis-Technologie ist dabei der intelligente Nutenstein smartNotch. Weiterlesen

Selbstorganisation mit Ecken und Kanten – Polyeder bringen Chancen für neue Materialien

Bildquelle: Leibniz Institut für Neue Materialien

Bildquelle: Leibniz Institut für Neue Materialien

In vielen Prozessen der Natur und der Industrie bilden kleine Objekte geordnete Schichten zwischen Flüssigkeiten und Festkörpern. Gängige Modelle beschreiben die Objekte als Kugeln mit homogenen Oberflächen. Oft sind diese aber nicht kugelförmig, sondern haben abgeflachte Seiten – zum Beispiel, wenn sie aus Metall bestehen. Wissenschaftler des INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken und der Universität Sydney konnten nun zeigen, dass solche polyedrischen Partikel ganz andere Strukturen bilden als kugelförmige Partikel. Das verändert auch die Eigenschaften von Materialien, die daraus entstehen – und womöglich ihr Recycling. Weiterlesen

Hochfeste Kupferwerkstoffe für den Einsatz in wasserstoffhaltigen Atmosphären

Wasserstoff – Ein Winzling vor einer großen Karriere?

Wasserstoff wird künftig eine zunehmende Rolle in der Energiepolitik spielen. Um die Klimaziele zu erreichen, werden derzeit an vielen Orten Simulationen und Grundsatzversuche zum Ersatz nicht regenerativer Brennstoffe durchgeführt. Hierzu unterstützt das Bundesministerium für Bildung und Forschung zahlreiche Projekte wie beispielsweise das H2Giga – Leitprojekt [1]. Die Inhalte bilden den kompletten Lebenszyklus von Wasserstoff ab. Angefangen von der Herstellung über den Transport, die Lagerung und Verteilung bis zum Endverbraucher werden die unterschiedlichsten Aspekte beleuchtet und durchgespielt.

Da bei allen Szenarien Werkstoffe eine große Rolle spielen, richten sich derzeit viele Untersuchungen auf die Materialverträglichkeit in flüssigem (kryogenen) und gasförmigem Wasserstoff über einen breiten Temperatur- und Druckbereich.

Häufig werden bekannte Vorfälle aus der Vergangenheit zitiert, wo offenbar Wasserstoff durch Materialversprödung zu einem Versagen mit mehr oder weniger großem Schaden geführt hat, wobei hier unterschiedlichste Industriebereiche betroffen sind. Bild 1 zeigt ein Brückenversagen in Mexiko aus 2003, welches durch das Zusammenspiel von Korrosion und Wasserstoff ausgelöst wurde.

Bild 1: Bauteilversagen infolge von Korrosion in Verbindung mit Wasserstoff [2]

Bild 1: Bauteilversagen infolge von Korrosion in Verbindung mit Wasserstoff [2]

Die heutigen Erkenntnisse über teils langjährige Erfahrungen mit Werkstoffen im Kontakt mit Wasserstoff lassen grundsätzlich das Urteil zu, dass es bei der Wahl des richtigen Werkstoffs (z.B. Verwendung stabiler austenitischer Stähle) keinerlei Probleme gibt.

Im Gegensatz dazu zeigen viele Untersuchungen unter Laborbedingungen einen teils erheblichen Einfluss von Wasserstoff auf kritische Materialeigenschaften (Duktilität, Zähigkeit, Schwingfestigkeit, Ermüdungsverhalten). Diese stehen somit im krassen Widerspruch zu den realen Beobachtungen.

Daher ist es bewährte Praxis, die Unempfindlichkeit gegenüber Wasserstoff durch geeignete Untersuchungen am jeweiligen (End)Produkt zu demonstrieren, um den sicheren Umgang mit Wasserstoff zu gewährleisten. Eine Aussage ausschließlich auf Basis der Laboruntersuchungen an Werkstoffproben, die in der Regel die lange Nutzungsdauer der Bauteile nicht abbilden können, gilt für die meisten Bauteilhersteller und -anwender als nicht ausreichend.

Wasserstoffversprödung: Ein Spielverderber?

Wasserstoff steht an erster Stelle im Periodensystem der Elemente. Aufgrund seiner Größe durchdringt es bereits bei Umgebungstemperaturen praktisch jedes Material, wobei die Diffusionsgeschwindigkeit hauptsächlich von der Art des Kristallgitters abhängt. Seine Anwesenheit fördert unterschiedliche Versprödungserscheinungen in bestimmten Metallen [3]. Dieser unerwünschte Effekt wird durch eine Verschlechterung der Materialeigenschaften wie beispielsweise der Duktilität und Zähigkeit messbar. Zugversuche mit kleinen Dehnraten, sog. „Slow Strain Rate Tests“ (SSRT) zeigen bei anfälligen Materialien einen deutlichen Unterschied in wasserstofffreien und -haltigen Atmosphären. Die vorherige Beladung der Proben mit Wasserstoff kann über die Gasphase (H2-Moleküle) aber auch in flüssiger Phase (als Ion) erfolgen. Der Datenbestand bei „Raumtemperatur“ ist beachtlich. In [4] werden ganze Werkstoffgruppen beschrieben und die Empfindlichkeit durch eine qualitative Einstufung vorgenommen. Dabei wird zwischen vernachlässigbar, gering, hoch, sehr hoch und extrem anfällig unterschieden.

Bei erhöhter Temperatur (z.B. 200-500 °C) wurden bisher noch keine SSRT-Daten gefunden. In [5] wird darauf hingewiesen, dass die Anfälligkeit für eine Wasserstoffversprödung mit zunehmender Temperatur verschwinden sollte. Dieser Hinweis deckt sich mit der allgemeinen Praxis, Stähle durch eine entsprechende Wasserstoffarmglühung bei Temperaturen um 300°C an Luft von Wasserstoff zu befreien. Diese Temperatur reicht offenbar aus, um interstitiell gelösten Wasserstoff, aber auch in Fallen („traps“) gebundenen Wasserstoff auszutreiben. Voraussetzung dafür sind aber die Wasserstoffpartialdruckverhältnisse. Glühungen in reinem Wasserstoff oder hochwasserstoffhaltigen Gasgemischen, wie sie z.B. bei der direkten Verbrennung von Wasserstoff/Luftgemischen in Motoren auftreten, sollten die Tendenz erheblich erschweren bzw. umkehren. Dieser Wasserstoff ist entweder herstellungsbedingt (z.B. Schmelz- und Gießprozesse), verarbeitungsbedingt (z.B. Schweißen, Beizen) oder einsatzbedingt (z.B. kathodische Schutzmaßnahmen) ungewollt in den Werkstoff eingebracht worden.

In der chemischen Industrie sind die Randbedingungen anders. Hier werden die Werkstoffe dem Wasserstoff unter den unterschiedlichsten Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt (vgl. Haber-Bosch-Verfahren). Die Werkstoffverträglichkeit wird i.d.R. mittels Nelson-Diagrammen abgeschätzt [6]. Allerdings werden Schäden durch Wasserstoff (HTHA = High Temperature Hydrogen Attack) mit der (chemischen) Reaktion mit Kohlenstoff unter Bildung von Methan diskutiert, das wiederum zur Bildung von Mikrorissen im Material führt. Der Verlust von Kohlenstoff durch Methanbildung oder Entkohlung in oberflächennahen Bereichen führt außerdem zu einer signifikanten Abnahme der Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit [7].

Die Vergangenheit hat gezeigt, dass die Einsatzgrenzen für bestimmte Stahlsorten immer wieder Grund für Sicherheitsdiskussionen ergaben. Nicht neu aber derzeit stark im Trend sind die Bemühungen, Wasserstoff als nicht kohlenstoffhaltige Energiequelle zu fördern. Überlegungen, Wasserstoff in Brennstoffzellen zur Erzeugung von Strom und Abwärme zu nutzen, sind Gegenstand einer Vielzahl intensiver Entwicklungen. Parallel erlebt auch die direkte Verbrennung von Wasserstoff in Motoren eine Renaissance. Immerhin gab es u.a. bereits um die Jahrtausendwende Aussagen, dass im Jahr 2020 etwa 50% der neu zugelassenen KFZ wasserstoffbetrieben sein werden [8]. Die physikalischen Bedingungen bei der direkten Verbrennung von Wasserstoffen erstrecken sich über einen weiten Temperaturbereich. Bei Nichtbetrieb muss sogar mit Kondensation von Wasser oder im schlimmsten Fall auch mit einer Erstarrung (Eisbildung) im Zylinderraum gerechnet werden.

Im Gespräch mit Motorenentwicklern wird häufig das Phänomen der Wasserstoffversprödung zitiert. Offensichtlich kann diese unter tiefen Temperaturen auftreten, im Betrieb (bei hoher Temperatur) kann aufgenommener Wasserstoff wieder ausgetrieben werden, falls die oben beschriebene irreversible Methanbildung ausgeblieben ist. Welche Eigenschaftsveränderungen durch die Reaktion mit Kohlenstoff zu erwarten sind, ist u.a. abhängig vom Werkstoff und dessen Zusammensetzung. Insbesondere fehlt noch der Beweis, ob ein Rückgang der Duktilität bei Temperaturen im Bereich 200-400°C in Wasserstoff durch SSRT-Versuche nachweisbar ist.

Materialien und offene Fragen

Eine interessante Alternative zu den bisher genutzten Werkstoffen könnten Kupferbasislegierungen auf Basis von Kupfer-Beryllium oder Kupfer-Nickel-Zinn sein, die bereits heute in Kleinserien, z.B. im Rennsport, für motornahe Bauteile verwendet werden. Bauteile wie Kolbenringe, Ventilsitze oder -führungen erfordern höchste Festigkeiten in Kombination mit einer guten Verschleißbeständigkeit sowie eine deutlich besseren Wärmeableitung [9]. Zudem bieten diese Werkstoffe Vorteile im Hinblick auf deren Schmiereigenschaften, die für Wasserstoffverbrennungsmotoren an Wichtigkeit zunehmen werden, da bei diesen die schmierenden Russpartikel aus der Benzin- und Dieselverbrennung fehlen, was mit einer höheren Reibung der Motorkomponenten untereinander einhergeht.

In verschiedenen Publikationen werden Kupferbasiswerkstoffe fälschlicherweise als empfindlich gegenüber einer Wasserstoffversprödung beschrieben. Gemeint wird hier eigentlich das Phänomen der Wasserstoffkrankheit, welche sich grundlegend von der Wasserstoffversprödung unterscheidet. Die Wasserstoffkrankheit beschreibt die chemische Reaktion von Wasserstoff mit in sauerstoffhaltigen Kupfersorten gebundenem Sauerstoff zu Kupfer und Wasser und tritt bei den allermeisten Kupferbasislegierungen, in denen die Sauerstoffgehalte sehr gering sind oder der Sauerstoff über andere Elemente abgebunden ist, nicht auf. Dies gilt auch für die oben genannten hochfesten Cu-Be- und Cu-Ni-Sn-Legierungen.

Sehr vorteilhaft ist hingegen, dass der Wasserstoff im Kristallgitter des Kupfers nahezu unlöslich ist, was dazu führt, dass aus früheren und aktuellen Anwendungen bislang keine Schadensfälle infolge wasserstoffbedingter Risse bekannt sind [10]. Auch in der Literatur sind keinerlei Versagensfälle von Bauteilen aus Kupferbasiswerkstoffen beschrieben.

Aus früheren Untersuchungen im Zusammenhang mit der Sauergasbeständigkeit wurde die Beständigkeit der oben genannten hochfesten Kupferbasiswerkstoffe gemäß NACE MR 0175 gegenüber Wasserstoff auch in Gegenwart von Schwefelwasserstoff (H2S fördert die Wasserstoffaufnahme) getestet und bestätigt [11]. Da es hier um die Beständigkeit durch ungewollte Wasserstoffaufnahme handelt, sind die Partialdruckhöhen, Temperaturen und die chemische Umgebung grundsätzlich verschieden.

Um die Frage zu klären, ob eine Wasserstoffversprödung bei höheren Temperaturen (z.B. 200 °C) überhaupt auftreten kann, werden derartige Untersuchungen derzeit durchgeführt. Permeationsmessungen zur Bestimmung des Diffusionskoeffizienten sowie das Langzeitverhalten in verschiedenen wasserstoffhaltigen Gasmischungen sollen den Einfluss von Oberflächenreaktionen (z.B. Entkohlungseffekte) zeigen. Das sich derzeit in der Bearbeitung befindliche Untersuchungsprogramm zeigt Bild 2. Über die Ergebnisse der Untersuchungen wird zeitnah informiert.

Bild 2: Untersuchungsprogramm für hochfeste Kupferbasiswerkstoffe

Bild 2: Untersuchungsprogramm für hochfeste Kupferbasiswerkstoffe


Literaturverzeichnis

[1] https://www.wasserstoff-leitprojekte.de/leitprojekte/h2giga

[2] Jürgensen, J.; Pohl, M.: Hydrogen – Challenges for Materials. A Systematic Overview, DGM Materials Week 2021, 07.-09.09.21

[3] Zauchner, T.: Diffusion von Wasserstoff in Reineisen, Diplomarbeit, Universität Leoben, 2015

[4] Lee, J.A.: Hydrogen Embrittlement, NASA/TM-2016-218602

[5] Anderson, T.L.: 3rd edition Fracture Mechanics, Fundamentals and Applications, S. 535

[6] Korrosionsschadenkunde, Springer Verlag, 1998, S. 492

[7] Risky Business – Inspection Options for Mitigating High Temperature Hydrogen Attack, By: Chris Jones – Quest Integrity, Charles Thomas – Quest Integrity, and David Keen – Incitec Pivot Limited, https://www.questintegrity.com/articles/risky-business-managing-htha?preview=1

[8] https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/fahrzeugbau/das-wasserstoff-zeitalter-autos-startet-serien-pkw-bmw

[9] Frehn, A.; Greschner, U.; Mack, S.: Moderne hochfeste Kupferbasislegierungen für automotive Anwendungen, Kupfersymposium 2021, 24.-25.11.2021

[10] Paatsch, W.: Einfluß des Wasserstoffs bei galvanischen Prozessen, Wasserstoff und Korrosion, Irene Kuron, Bonn, 2000, S. 273 – 294

[11] NACE MR 0175; Petroleum and natural gas industries – Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production, Beuth-Verlag

Ansprechpartner:

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Materion Brush GmbH,
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andreas.frehn@materion.com
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Unterweisung im Arbeitsschutz macht Arbeitsplätze sicher

Die Herstellung von Arbeitsschutzmaßnahmen zählt zu den wichtigsten Fürsorgepflichten eines Arbeitgebers. Mit einer Unterweisung im Arbeitsschutz lassen sich Gefährdungen und Risiken am Arbeitsplatz aufzeigen und Handlungshinweise geben, um gesundheitliche Gefährdungen zu vermeiden.

Die Unterweisung nach Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG)

Den Arbeitsschutz in Deutschland regelt das Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG). Das Gesetz soll die Gesundheit der Beschäftigten schützen, ihre Arbeitssicherheit gewährleisten und Unfällen vorbeugen. Darin ist auch festgelegt, dass der Arbeitgeber seine Mitarbeiter zur Sicherheit am Arbeitsplatz und zum Gesundheitsschutz einweisen muss. Diese Unterweisungen zählen zur bezahlten Arbeitszeit. Inhaltlich müssen die Schulungen zur Arbeitsplatzsicherheit erklären und erläutern, welche Gefahren am jeweiligen Arbeitsplatz auftreten und welche Vorkehrungsmaßnahmen der Arbeitnehmer treffen kann. Weiterlesen

3D-Druck von Stelliten gelungen

Bild 1: Gefüge von 3D-gedrucktem Stellite Celsit 21, geätzt mit Murakami (Fem18)

Bild 1: Gefüge von 3D-gedrucktem Stellite Celsit 21, geätzt mit Murakami (Fem18)

Stellite als Verschleißschutzlegierungen aus Kobalt, Chrom, Wolfram oder Molybdän, Nickel, Eisen und 0,3 bis 3,2 % Kohlenstoff haben sich einen festen Platz in der Technik gesichert. Erzeugt werden sie durch Gießen, Sintern oder als Beschichtung durch verschiedene Schweiß- oder Strahlverfahren. So besitzen Stellite bei Beanspruchungen auf abrasiven, adhäsiven und korrosiven Verschleiß Eigenschaften, die sie für eine Reihe von anspruchsvollen Anwendungen interessant machen. Durch die bisherigen Fertigungsverfahren war es nicht möglich, filigrane Strukturen wie oberflächennahe Kühlkanäle oder Ähnliches zu realisieren.

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt des Instituts für Werkzeugforschung und Werkstoffe Remscheid (IFW) und dem Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz-Universität Hannover (IFUM) ist es den Remscheider Mitarbeiter*innen gelungen, Stellitepulver für das selektive Laserstrahlschmelzen (LPBF/SLM) zu qualifizieren. Genutzt wurden Pulver der Deutschen Edelstahlwerke (DEW) vom Typ Celsit 21 und Celsit F. Dabei war es möglich, Celsit 21 ohne Vorwärmung mit einer Härte von 42 HRC und einer relativen Dichte von > 99,75 % zu drucken. Weiterlesen

Indoor Photovoltaik

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner

Klima und Energie sind aktuell zwei zen­trale Themen in Gesellschaft, Politik und Wirtschaft. Dies spiegelt sich auch im Bereich der Forschung und Entwicklung damit verbundener Technologien wider. Als nachhaltige Systeme zur Stromerzeugung spielen hier auch die verschiedenen Formen der Photovoltaik (PV) eine besondere Rolle. Bei dem speziellen Anwendungsbereich der Indoor Photovoltaik (IPV) werden Solarzellen in Innenräumen genutzt, in denen gedämpftes Tageslicht sowie Licht aus künstlichen Quellen (z. B. Glühlampen, Halogenlampen, Leuchtstofflampen und LED-Lampen) vorherrschen. Neben einer deutlich geringeren Lichtintensität (200-1000 Lux, Sonnenlicht: ~100.000 Lux), handelt es sich auch um Licht mit spezifischen Wellenlängen, die ausschließlich im sichtbaren Bereich liegen und deren Absorption bei herkömmlichen Solarzellen weniger gut ausgeprägt ist. Die IPV hat die Aufmerksamkeit der Forschung auf sich gezogen, weil sie eine nachhaltige Energiequelle für die Stromversorgung z. B. von kleinen und kleinsten Verbrauchern in Innenräumen darstellen kann. Gerade in Gebäuden wie beispielsweise Krankenhäusern, Polizeiwachen oder Forschungs- und Bildungseinrichtungen ist das Licht bis zu 24 Stunden am Tag an. Hier könnten zum Beispiel Sensoren für Temperatur, Luftfeuchte, CO2 oder tragbare Elektronik dauerhaft mit IPV betrieben werden. Weiterlesen

Additiv gefertigte Batterien

Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Im Bereich der Energiespeicher ist seit geraumer Zeit eine enorme Dynamik bei der Entwicklung neuer Konzepte und Speichermaterialien zu beobachten, da sich der generelle Trend zur Miniaturisierung von drahtlosen Sensoren, Aktoren sowie zur Nutzung aktiver Transponder zur Radiofrequenz-Identifikation fortsetzt. Außerdem setzt sich langsam die Elektrifizierung unterschiedlichster, auch großer und schwerer Verkehrsmittel durch.

Der Aspekt der additiven Fertigung, auch als 3D-Druck bezeichnet, als mögliche Methode zur Produktion von Energiespeichern ist vergleichsweise neu. Der Schwerpunkt dieser Bemühungen liegt bei den sekundären Batteriesystemen, auch Akkumulatoren genannt, die wieder aufgeladen werden können, sowie primären Batteriesystemen, die nicht für eine Aufladung vorgesehen sind. Weiterlesen

Detektion von Wasserstoff durch Glasfasersensoren

© iStock Überschreitet die Wasserstoffkonzentration in der Luft einen Schwellenwert von vier Prozent, was bei ausreichend Druck in einem Wasserstofftank schnell erreicht werden kann, genügt ein einzelner Funken, um eine Explosion auszulösen. Mit Sensoren aus Glasfasern zur Wasserstoffdetektion versuchen Forschende am Fraunhofer HHI dies zu verhindern.

© iStock
Überschreitet die Wasserstoffkonzentration in der Luft einen Schwellenwert von vier Prozent, was bei ausreichend Druck in einem Wasserstofftank schnell erreicht werden kann, genügt ein einzelner Funken, um eine Explosion auszulösen. Mit Sensoren aus Glasfasern zur Wasserstoffdetektion versuchen Forschende am Fraunhofer HHI dies zu verhindern.

Wasserstoff spielt in der deutschen Energie- und Klimapolitik eine zentrale Rolle. Kommt er zum Einsatz, sind Sicherheitsmaßnahmen von entscheidender Bedeutung. Denn im Unterschied zu anderen gasförmigen oder flüssigen Energieträgern besteht bei Wasserstoff neben einer erhöhten Brandgefahr durch Leckagen unter bestimmten Bedingungen auch Explosionsgefahr. Um die Sicherheit im Umgang mit Wasserstoff noch weiter zu erhöhen, arbeiten Forschende am Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI an Glasfaser-basierten Sensoren zu dessen Detektion, die herkömmlichen Sensoren in vielerlei Hinsicht überlegen sind.

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