Process Monitoring and Defect Detection of Additive Manufacturing Using Inline Coherent Imaging

With applications ranging from aerospace to biomedicine, additive manufacturing (AM) has been revolutionizing the manufacturing industry. The ability of additive techniques, such as selective laser melting (SLM), to create fully functional, geometrically complex, and unique parts out of high strength materials is of great interest. Unfortunately, despite numerous advantages afforded by this technology, its widespread adoption is hindered by a lack of on-line, real time feedback control and quality assurance techniques. In this thesis, inline coherent imaging (ICI), a broadband, spatially coherent imaging technique, is used to observe the SLM process in 15 - 45 $\mu m$ 316L stainless steel. Imaging of both single and multilayer builds is performed at a rate of 200 $kHz$, with a resolution of tens of microns, and a high dynamic range rendering it impervious to blinding from the process beam. This allows imaging before, during, and after laser processing to observe changes in the morphology and stability of the melt. Galvanometer-based scanning of the imaging beam relative to the process beam during the creation of single tracks is used to gain a unique perspective of the SLM process that has been so far unobservable by other monitoring techniques. Single track processing is also used to investigate the possibility of a preliminary feedback control parameter based on the process beam power, through imaging with both coaxial and 100 $\mu m$ offset alignment with respect to the process beam. The 100 $\mu m$ offset improved imaging by increasing the number of bright A-lines (i.e. with signal greater than the 10 $dB$ noise floor) by 300\%. The overlap between adjacent tracks in a single layer is imaged to detect characteristic fault signatures. Full multilayer builds are carried out and the resultant ICI images are used to detect defects in the finished part and improve upon the initial design of the build system. Damage to the recoater blade is assessed using powder layer scans acquired during a 3D build. The ability of ICI to monitor SLM processes at such high rates with high resolution offers extraordinary potential for future advances in on-line feedback control of additive manufacturing.

Performance and Assessment of Rehabilitated Steel Culverts

This thesis explores the effects of rehabilitation on the structural performance of corrugated steel culverts. A full-scale laboratory experiment investigated the effects of grouted slip-liners on the performance of two buried circular corrugated steel culverts. One culvert was slip-lined and grouted using low strength grout, while the other was slip-lined and grouted using high strength grout. The performances of the culverts were measured before and after rehabilitation under service loads using single wheel pair loading at 0.45m of cover. Then, the rehabilitated culverts were loaded to their ultimate limit states. Results showed that the low and high strength grouted slip-liners provided strength well beyond requirements, with the low strength specimen failing at a load 2.4 times the fully factored service load, while the high strength specimen did not reach an ultimate limit state before bearing failure of the soil stopped testing. Results also showed that the low strength specimen behaved rigidly under service loads and flexibly under higher loads, while the high strength specimen behaved rigidly under all loads. A second full-scale experiment investigated the effect of a paved invert rehabilitation procedure on the performance of a deteriorated horizontal ellipse culvert. The performance of the culvert before and after rehabilitation was examined under service loads using tandem axle loading at 0.45m of cover. The rehabilitated culvert was then loaded up to its ultimate limit state. The culvert failed due to the formation of a plastic hinge at the West shoulder, while the paved invert cracked at the invert. Results showed that the rehabilitation increased the structural performance of the culvert, increasing the system stiffness and reducing average strains and local bending at critical locations in the culvert under service loads. A sustainability rating tool specifically for the evaluation of deteriorated culvert replacement or rehabilitation projects was also developed. A module for an existing tool, called GoldSET, was created and tested using two case studies, each comparing the replacement of a culvert using a traditional open-cut method with two trenchless rehabilitation techniques. In each case, the analyses showed that the trenchless techniques were the better alternatives in terms of sustainability.

Endverbindungen für dynamisch belastete textile Zugmittel

Hochfeste Faserseile sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit prädestiniert für dynamische Anwendungen in der Fördertechnik. Der Kenntnisstand über die Zeitfestigkeit zugehöriger Endverbindungen zur Krafteinleitung ist jedoch unzureichend. Gegenstand der vorgelegten Arbeit ist die Entwicklung einer für die Anwendung von hochfesten Faserseilen geeigneten Prüfvorschrift sowie die vergleichende Untersuchung bekannter Endverbindungen für hochfeste Faserseile im Zugschwellversuch.

Development of functionalised multiwalled carbon nanotube/polyaniline composites for electrical applications

Combining intrinsically conducting polymers with carbon nanotubes (CNT) helps in creating composites with superior electrical and thermal characteristics. These composites are capable of replacing metals and semiconductors as they possess unique combination of electrical conductivity, flexibility, stretchability, softness and bio-compatibility. Their potential for use in various organic devices such as super capacitors, printable conductors, optoelectronic devices, sensors, actuators, electrochemical devices, electromagnetic interference shielding, field effect transistors, LEDs, thermoelectrics etc. makes them excellent substitutes for present day semiconductors.However, many of these potential applications have not been fully exploited because of various open–ended challenges. Composites meant for use in organic devices require highly stable conductivity for the longevity of the devices. CNT when incorporated at specific proportions, and with special methods contributes quite positively to this end.The increasing demand for energy and depleting fossil fuel reserves has broadened the scope for research into alternative energy sources. A unique and efficient method for harnessing energy is thermoelectric energy conversion method. Here, heat is converted directly into electricity using a class of materials known as thermoelectric materials. Though polymers have low electrical conductivity and thermo power, their low thermal conductivity favours use as a thermoelectric material. The thermally disconnected, but electrically connected carrier pathways in CNT/Polymer composites can satisfy the so-called “phonon-glass/electron-crystal” property required for thermoelectric materials. Strain sensing is commonly used for monitoring in engineering, medicine, space or ocean research. Polymeric composites are ideal candidates for the manufacture of strain sensors. Conducting elastomeric composites containing CNT are widely used for this application. These CNT/Polymer composites offer resistance change over a large strain range due to the low Young‟s modulus and higher elasticity. They are also capable of covering surfaces with arbitrary curvatures.Due to the high operating frequency and bandwidth of electronic equipments electromagnetic interference (EMI) has attained the tag of an „environmental pollutant‟, affecting other electronic devices as well as living organisms. Among the EMI shielding materials, polymer composites based on carbon nanotubes show great promise. High strength and stiffness, extremely high aspect ratio, and good electrical conductivity of CNT make it a filler of choice for shielding applications. A method for better dispersion, orientation and connectivity of the CNT in polymer matrix is required to enhance conductivity and EMI shielding. This thesis presents a detailed study on the synthesis of functionalised multiwalled carbon nanotube/polyaniline composites and their application in electronic devices. The major areas focused include DC conductivity retention at high temperature, thermoelectric, strain sensing and electromagnetic interference shielding properties, thermogravimetric, dynamic mechanical and tensile analysis in addition to structural and morphological studies.

Performance en fluage des assemblages antiglissement avec des surfaces métallisées dans les ponts en acier

Les éléments des ponts en acier sont exposés à de sévères conditions environnementales, tel l’épandage de sels déglaçant sur les routes. Ces éléments ont besoin d’un niveau suffisant de protection contre la corrosion afin de préserver leur intégrité à long terme. Une solution efficace, devenue populaire au Canada, est la métallisation. La métallisation est un revêtement anticorrosion formé par projection thermique de métal, généralement du zinc, sur la surface à protéger. La protection fournie au substrat d’acier est assurée par une barrière physique et une protection galvanique. Pour le calcul des assemblages boulonnés antiglissement, les codes de conception, tel le code Canadien sur le calcul des ponts routiers CAN/CSA S6-14, spécifient, en fonction des conditions des surfaces de contact désirées, un coefficient de glissement à utiliser. Actuellement, ces codes ne fournissent aucun coefficient de glissement entre deux surfaces métallisées. Donc, il est pratique courante pour les fabricants de ponts en acier de masquer les surfaces de contact des joints boulonnés avant de métalliser, ce qui est très couteux pour l’industrie puisque ce travail doit se faire manuellement. Récemment, des études ont évalué la résistance au glissement à court terme d’assemblages antiglissement ayant des surfaces de contact métallisées. Les résultats ont révélé une résistance au glissement supérieure aux assemblages sur acier nu grenaillés. Dans la présente recherche, la performance en fluage des assemblages antiglissement métallisés a été caractérisée pour s’assurer qu’une résistance en glissement de Classe B soit toujours valide à long terme. L’effet de la relaxation de la force de serrage sur la charge de glissement a aussi été évalué. Les résultats ont démontré une bonne performance en fluage. Aussi, les résultats ont révélé que la relaxation de la force de serrage n’a pas d’impact significatif sur la résistance au glissement des assemblages antiglissement métallisés. Les conclusions de cette étude pourraient bien influencer de futures révisions des codes de conception et avoir un impact sur l’industrie de l’acier en Amérique du Nord.Mots clés : Assemblage boulonné antiglissement, métallisation, pont routier en acier, fluage, relaxation

Hitsin juurenpuolen kriittisyys suurlujuus teräksillä

Kandidaatintyön tarkoituksena oli selvittää pienahitsin juuren kriittisyyttä. Työ oli saanut aiheen rakenneputki kokeiden yhteydessä tehdyistä havainnoista. Työssä tutustuttiin millaiset ovat pienahitsin mitoitus menetelmät ja tausta tutkimusta kuinka sitä sovelletaan käytäntöön suurlujuusteräksille. Työssä esitellään käytetyt tutkimusmenetelmät kuinka menetelmätriangulaatio saavutettiin. Tutkimuskysymyksenä oli hitsien kestävyyden mitoituksen riittävyys. Tutkimukset suoritettiin tarkastellen staattisesti kuormitettuja pienahitsejä. Pienahitsi kappaleista tehtiin laboratoriokoekappale ja FEM-laskentamalli joista vertailtiin tuloksia. Laboratoriokokeessa mittaus menetelmänä käytettiin DIC-mittausta, jolle voitiin tehdä jälkikäsittelyjä ja sieltä määrittää haluttuja datapisteitä. Laskennassa suurimmat jännityskeskittymät syntyivät hitsin kohdalle mutta vetokokeessa koekappaleeseen syntyi vauriot sularajalle ja vetokorvakkeen kiinnityshitsin rajaviivalle. Tällä kohtaa todettiin materiaalimalli riittämättömäksi, koska siihen ei ollut määritelty muutosvyöhykkeen parametreja.

Modelação de juntas adesivas por modelos de dano coesivo utilizando o método direto

A utilização de adesivos hoje em dia encontra-se de tal forma disseminada que é transversal a diversos setores do mercado, como a indústria aeroespacial, aeronáutica, automóvel e do desporto. De facto, o uso de ligações adesivas em estruturas mecânicas tem vindo a crescer, na medida em que estes têm substituído os métodos de ligação convencionais, tais como brasagem, rebitagem, ligações aparafusadas e soldadura. No geral, as ligações adesivas apresentam diversas vantagens, desde a diminuição do peso, redução da concentração de tensões, facilidade de fabrico, bom comportamento a solicitações cíclicas e capacidade de unir materiais dissimilares. O crescente interesse da indústria nas ligações adesivas tem por base o aumento da confiabilidade nos métodos de previsão de resistência de estruturas adesivas. Neste contexto surgem os Modelos de Dano Coesivo, que permitem simular o crescimento do dano em estruturas, após introdução das leis coesivas previamente estimadas nos modelos numéricos. Uma das fases mais importantes neste método de previsão é a estimativa das leis coesivas em tração e corte, pelo que se torna de grande relevância a existência e validação de métodos precisos para a obtenção destas leis. Este trabalho visa a validação de leis coesivas em tração e corte, estimadas pela aplicação do método direto, na previsão da resistência de juntas com geometria de solicitação mista. Neste âmbito, ensaiaram-se JSS e JSD com diferentes comprimentos de sobreposição e com adesivos de diferente ductilidade. Foram considerados os adesivos Araldite® AV138, de elevada resistência e baixa ductilidade, o Araldite® 2015, de moderada ductilidade e resistência intermédia, e o SikaForce® 7752, de baixa resistência e elevada ductilidade. As leis coesivas em modo puro serviram de base para a criação de leis simplificadas triangulares, trapezoidais e linearesexponenciais, que foram testadas para cada um dos adesivos. A validação das mesmas consumou-se por comparação das previsões numéricas com os resultados experimentais. Procedeu-se também a uma análise de tensões de arrancamento e de corte no adesivo, de modo a compreender a influência das tensões na resistência das juntas. A utilização do método direto permitiu obter previsões de resistência bastante precisas, indicando as formas de leis coesivas mais adequadas para cada conjunto adesivo/geometria de junta. Para além disso, para as condições geométricas e materiais consideradas, este estudo permitiu concluir que não se cometem erros significativos na escolha de uma lei menos adequada.

Polímeros superabsorventes (psa) como agente de cura interna para prevenir fissuração em concretos de alta resistência

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2015.

Estudo experimental e numérico de juntas adesivas em T com aderentes de alumínio

Nos dias de hoje, a ligação adesiva de estruturas complexas que não poderiam ou não seriam tão fáceis de ser fabricadas numa só peça é cada vez mais usual. As juntas adesivas têm vindo a substituir muitos outros métodos de ligação, como por exemplo ligações aparafusadas, rebitas ou soldadas, devido às vantagens de facilidade na sua fabricação, resistência superior e capacidade de unir materiais diferentes. Por esta razão as juntas adesivas têm vindo a ser aplicadas cada vez mais em várias industrias como aeroespacial, aeronáutica, automóvel, naval e calçado. O tipo de adesivo a usar em determinada aplicação é principalmente escolhido consoante as suas características mecânicas e o tipo de resposta pretendida às solicitações impostas. Como exemplo de adesivo resistente e frágil existe o Araldite® AV138. Por outro lado, o adesivo Araldite® 2015 é menos resistente, mas apresenta maior ductilidade e flexibilidade. Além dos adesivos Araldite® comerciais, existem adesivos de poliuretano que combinam características de elevada resistência com características de grande ductilidade e flexibilidade, como por exemplo o Sikaforce® 7752. Esta dissertação tem como objetivo estudar experimentalmente e numericamente, através de modelos de dano coesivo (MDC), o comportamento de diferentes configurações de junta em T quando sujeitas a solicitações de arrancamento. Consideram-se os adesivos anteriormente mencionados para testar as juntas sob diferentes tipos de adesivos. A junta em T é constituída por 2 aderentes em L de alumínio e um aderente base também em alumínio, unidos por uma camada de adesivo. Experimentalmente é feito um estudo da resistência da junta com a variação da espessura dos aderentes em L (tP2). Com a análise numérica são estudadas as distribuições de tensões, evolução do dano, modos de rotura e resistência. Além disso, realizou-se um estudo numérico da existência ou não de adesivo de preenchimento na zona da curvatura dos aderentes em L nas tensões e na resistência da junta. Mostrouse que a variação da geometria nos aderentes em L, a presença de adesivo de preenchimento e o tipo de adesivo têm uma influência direta na resistência de junta. Os ensaios experimentais validaram os resultados numéricos e permitiram concluir que os MDC são uma técnica precisa para o estudo das geometrias das juntas em T.

Influência da lubrirrefrigeração na qualidade superficial de metais retificados

Na fabricação de componentes mecânicos precisos, que necessitam de alta resistência mecânica e ao desgaste, utiliza-se o processo de retificação, para conferir o acabamento final desejado e, também, para eliminar as deformações ocorridas durante a têmpera do aço. No entanto, as condições de retificação devem ser adequadas, para que não sejam introduzidas falhas na peça. Novos conceitos de lubrificação e refrigeração, para o processo de retificação, estão sendo pesquisados, de forma a diminuir os custos e os danos ambientais causados pelos fluidos de corte. Nesse trabalho, é analisada a influência das técnicas de mínima quantidade de lubrificante (MQL), refrigeração otimizada e refrigeração convencional, com diferentes vazões e velocidade de aplicação do fluido de corte, na qualidade das peças produzidas com aço ABNT 4340 endurecido, no processo de retificação cilíndrica externa de mergulho com a utilização de rebolos de CBN. O Aço ABNT 4340 apresenta várias aplicações industriais, sendo considerado de uso aeronáutico devido, sua alta resistência mecânica sem aumentar o peso dos componentes que o utilizam. A análise da qualidade das peças foi realizada com a verficação das rugosidades e com a análise de microscopias eletrônicas de varredura. Verificou-se, ainda, a força tangencial de corte. em relação às diferentes formas de aplicação do fluido de corte, notou-se o melhor desempenho da aplicação otimizada, para maiores velocidades, mostrando a eficiência do bocal utilizado. O processo otimizado e o processo MQL foram capazes de manter a integridade superficial das peças produzidas. Exceção somente para a condição MQL com vazão de fluido de corte de 40ml/h, que produziu trincas e queima superficial. Rebolos com baixa concentração de CBN, conseqüentemente mais baratos, proporcionaram bons resultados, quando associados com técnicas mais eficientes de aplicação de fluido de corte apresentando desgaste reduzido.

Estudo da adição de polímero superabsorvente e de nano partículas de sílica para melhorar propriedades de concretos de alta resistência

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2016.

Evaluation of Information Entropy from Acoustic Emission Waveforms as a Fatigue Damage Metric for Al7075-T6

Information entropy measured from acoustic emission (AE) waveforms is shown to be an indicator of fatigue damage in a high-strength aluminum alloy. Several tension-tension fatigue experiments were performed with dogbone samples of aluminum alloy, Al7075-T6, a commonly used material in aerospace structures. Unlike previous studies in which fatigue damage is simply measured based on visible crack growth, this work investigated fatigue damage prior to crack initiation through the use of instantaneous elastic modulus degradation. Three methods of measuring the AE information entropy, regarded as a direct measure of microstructural disorder, are proposed and compared with traditional damage-related AE features. Results show that one of the three entropy measurement methods appears to better assess damage than the traditional AE features, while the other two entropies have unique trends that can differentiate between small and large cracks.

In-situ Molibdenum X-ray powder diffraction study of the early hydration of cementitious systems on a humidity chamber

The durability of cement-based construction materials depends on the environmental conditions during their service life. A further factor is the microstructure of the cement bulk, established by formation of cement hydrates. The development of the phases and microstructure under given conditions is responsible of the high strength of cementitious materials. The investigation on the early hydration behavior of cements and cementing systems has been for a long time a very important area of research: understanding the chemical reactions that lead to hardening is fundamental for the prediction of performances and durability of the materials. The production of 1 ton of Ordinary Portland Cement, OPC, releases into the atmosphere ~0.97 tons of CO2. This implies that the overall CO2 emissions from the cement industry are 6% of all anthropogenic carbon dioxide. An alternative to reduce the CO2 footprint consists on the development of eco-cements composed by less calcite demanding phases, such as belite and ye'elimite. That is the case of Belite-Ye’elimite cements (BY). Since the reactivity of belite is not quick enough, these materials develop low mechanical strengths at intermediate hydration ages. A possible solution to this problem goes through the production of cements which jointly contain alite with the two previously mentioned phases, named as Belite-Alite-Ye’elimite (BAY) cements. The reaction of alite and ye'elimite with water will develop cements with high mechanical strengths at early ages, while belite will contribute to later values. The final goal is to understand the hydration mechanisms of a variety of cementing systems (OPC, BAY and pure phases) as a function of water content, superplasticizer additives and type and content of sulfate source. In order to do so, in-situ laboratory humidity chambers with Molybdenum X-ray Powder diffraction are employed. In the first 2h of hydration, reaction degree (α) of ye'elimite had been decreased for superplasticizer.

Influence of autogenous shrinkage on mass transport properties of concrete

La retracción autógena en el hormigón es el cambio volumétrico una vez iniciado su proceso de fraguado. Se desarrolla a edades muy tempranas debido a la retracción química y a la autodesecación. Éstos causan microfisuras en hormigones de alta resistencia y permiten el ingreso de agentes nocivos como dióxido de carbono, cloruros y sulfatos que deterioran al hormigón. A pesar de haber estudios de la retracción autógena, existe incertidumbre sobre su influencia en la durabilidad del hormigón. Por ello, el motivo del presente estudio es cuantificar y analizar el efecto de la retracción autógena en el hormigón usando tres pruebas de transporte: difusión de oxígeno, permeabilidad de oxígeno y absorción de agua. Dos métodos, para tres diferentes aglutinantes, fueron usados para determinar la mezcla control que produce menor retracción: utilizando SRA y realizando el curado en un cuarto de niebla. Posteriormente, los resultados de las pruebas de transporte entre la mezcla de control seleccionada y mezclas altamente afectadas por retracción autógena fueron comparados para diferentes aglutinantes. Resultados revelaron que muestras con SRA presentan menores retracciones autógenas y se sugiere que estas muestras sean consideradas de control. Se demostró que la retracción autógena afecta significativamente los coeficientes de transporte los cuales en un punto de vista de servicio pueden reducir la vida útil de cualquier estructura realizada con hormigón de alta resistencia. Esta investigación además confirmó que la mayor deformación autógena ocurre durante las dos primeras semanas; por lo tanto, se debe tomar cuidado suficiente en el curado.

Caracterização reológica de pastas de cimento portland de alta resistência contendo diferentes tipos de polímeros superabsorventes pela técnica de reometria rotacional

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2016.