In-situ strain measurement during solidification and cooling of aluminium alloys using regenerated fibre Bragg gratings

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Alexander W. Koch; Professor Dr. Johannes Roths; Professor Dr.-Ing. Wolfram Volk
• Subject Area: Measurement Systems
• Term: from 2015 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 272154571

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Im Projekt ist es erstmals gelungen, faseroptische Sensoren während des Gießprozesses in Aluminium-Gussbauteile einzubetten. Dabei wurden wichtige Erkenntnisse gewonnen, die große Bedeutung für die Erforschung und Optimierung von Gussprozessen, für die Entwicklung von selbstüberwachenden Gussbauteilen und für die hochtemperaturtaugliche Faser-Sensortechnik haben. Zur Überwachung der Temperatur und von Temperaturgradienten im Inneren des Gussbauteils wurde ein neues Kalibrierverfahren für RFBG-Sensoren entwickelt, welches eine einfache und genaue Kalibrierung von Einzelpunkt- und Multipunkt-Sensoren ermöglicht. Des Weiteren konnte mithilfe von Multipunkt-RFBG-Sensoren die Erstarrung der Aluminiumlegierung ortsaufgelöst beobachtet und die Geschwindigkeit der Erstarrungsfront, welche durch das Gussbauteit verläuft, ermittelt werden. Diese ortsaufgelöste Überwachung der Gussbauteile im Inneren bietet die Möglichkeit, mit nur einer einzigen Sensorfaser die Herstellung der Gussbauteile an verschiedenen Stellen zu optimieren und unerwünschte Temperaturgradienten frühzeitig zu erkennen. Durch die Verwendung eines RFBG-Dehnungssensors war es möglich, die bei den einzelnen Legierungsbestandteilen beim Erstarren auftretenden Dehnungen zu messen. Um FBG-Sensoren auch als Kraft- oder Dehnungssensor im Aluminiumguss einzusetzen, wurde das Verhalten der Standard-Glasfaser SMF-28 unter mechanischer Belastung bei Temperaturen bis zu 900°C untersucht. Hier zeigte sich, dass die Glasfaser bis 600°C elastisches Verhalten aufweist und somit in diesem Temperaturbereich als Kraft- bzw. Dehnungssensor einsetzbar ist. Das mechanische Verhalten des Sensors lässt sich im gesamten Temperaturbereich durch ein Burgers-Modell (mit elastischen, viskoetastischen und viskosen Anteilen) beschreiben. Die Kraftempfindlichkeit wurde im Temperaturbereich bis 600°C bestimmt und zeigte eine lineare Abnahme, welches mit einem einfachen Modell beschrieben werden konnte. Es wurden unterschiedliche Typen von Faser-Bragg-Gittern erfolgreich eingebettet: Standard-FBG (Typl-FBG), mit Laserpulsen der Dauer von einigen hundert Femtosekunden hergestellte FBG (FS-FBG) und regenerierte FBG (RFBG), letztere in Standard- und LMA (Large-Mode- Area)-Fasern. Standard-FBG und FS-FBG zeigen bei hohen Temperaturen eine Wellenlängendrift, die zu einer (teils noch vertretbaren) Messunsicherheit führt. RFBG zeigen eine meist vernachlässigbare Wellenlängendrift, sind aber mechanisch fragil. In diesem Vorhaben wurden RFBG in LMA-Fasern entwickelt, die aufgrund des größeren Faserdurchmessers eine höhere Festigkeit aufweisen und ohne nennenswerten Ausschuss eingegossen werden können. Zur Überwachung von gegossenen Bauteilen wurden mehrere Gussbauteile mit eingebetteten Fasersensoren zu Zugstabproben verarbeitet und in Zugversuchen bzw. in einer Klimakammer untersucht Hier zeigte sich, dass aufgrund der hohen Kräfte, die sich während des Abkühlvorgangs beim Aufschrumpfen des Aluminiums auf die Glasfaser einstellen, eine vollständige Dehnungsübertragung von dem Bauteil auf die Faser stattfindet. Für elastische Bauteildehnungen zeigen die eingebetteten RFBG-Sensoren reproduzierbar die gleiche Dehnungsempfindlichkeit, die auch mit einem analytischen Modell verstanden werden konnte. Für die Ermittlung schwindungsbedingter Gussteilspannungen mit Hilfe von FBG wurden gezielt Geometrien gewählt, die der Schwindung entgegenwirken - beispielweise die Anwendung des Messmittels an der realen Geometrie eines aktuellen Zylinderkopfes. Den Abschluss bildete die Weiterverwendung eingegossener FBG zur internen Dehnungsmessung von extern belasteten Bauteilen. Hier zeigte der Zugversuch, dass sich eingegossene FBGs für den Einzelfall exakt durch eine Proportionalitätskonstante kalibrieren lassen. In diesem Vorhaben wurde Pionierarbeit hinsichtlich der Einbettung von faseroptischen Sensoren in Aluminium-Gussbauteile geleistet. Die Ergebnisse sind sehr ermutigend und stoßen die Tür zu einem neuen Forschungsfeld innerhalb der Gießereitechnik auf, das sich in zwei Teilgebiete, das „Smart Cast Production“ und das „Smart Cast Operation“, aufteilen lässt.

Publications

• “Strain measurement in aluminium alloy during the solidification process using embedded fibre Bragg gratings”. Sensors 16(11), 1853 (2016)
  K. Weraneck. F. Heilmeier, M. Lindner, M. Graf, M. Jakobi, W. Volk. J. Roths, and A. W. Koch
  
• "Strukturüberwachung mittels eingebetteter Faser-Bragg-Gitter", Dissertation. Technische Universität München (2018)
  K. Weraneck
  
• “Regenerated Bragg grating sensor array for temperature measurements during an aluminum casting process”, IEEE Sensors Journal 18(13), pp. 5352-5360 (2018)
  M. Lindner, E. Tune, K. Weraneck, F. Heilmeier, W. Volk, M. Jakobi, A. W. Koch, and J. Roths
  
• “Force sensitivity of regenerated fiber Bragg gratings in the temperature range from room temperature to 400°C”, Proc. SPIE 11199, Seventh European Workshop on Optical Fibre Sensors, 1119906 (2019)
  M. Lindner, D. Bernard, M. Jakobi, A. W. Koch, and J. Roths
  
• “In-situ strain measurements in the plastic deformation regime inside casted parts using fibre-optical strain sensors”. Production Engineering 13, pp. 351-360 (2019)
  F. Heilmeier, R. Koos, K. Weraneck, M. Lindner, M. Jakobi, J. Roths, A. W. Koch, and W. Volk
  
• "Ermittlung schwindungsbedingter Gussteilspannungen mit Hilfe eingegossener, faseroptischer Dehnungssensoren", Dissertation, Technische Universität München (2020)
  F. Heilmeier
  
• “Calibration of cast-in fibre-Bragg-gratings for internal strain measurements in cast aluminium by using neutron diffraction”. Measurement 163, 107939 (2020)
  F. Heilmeier, R. Koos. P. Hornberger, J. Hiller, K. Weraneck, M. Jakobi, A. W. Koch, and W. Volk
  
• “Transition from purely elastic to viscoelastic behavior of silica optical fibers at high temperatures characterized using regenerated Bragg gratings”, Optics Express 28(5), pp. 7323-7340 (2020)
  M. Lindner, D. Bernard, F. Heilmeier, M. Jakobi, W. Volk. A. W. Koch, and J. Roths
  
• “Decoupled temperature and strain measurement with regenerated fiber Bragg gratings during an aluminum casting process”, Proc. SPIE 11591, Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems, 115912D (2021)
  A. Stadler, M. Lindner, Q. Bian, G. Hamann, C. Bauer, W. Volk, M. Jakobi, A. W. Koch, and J. Roths
  
• “Fiber Bragg Sensors Embedded in Cast Aluminum Parts; Axial Strain and Temperature Response”. Sensors 21(5), 1680 (2021)
  M. Lindner, A. Stadler, G. Hamann, B. Fischer, M. Jakobi, F. Heilmeier, C. Bauer, W. Volk, A. W. Koch, and J. Roths