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Jahresbericht 2012
(2013)
Grain refinement is an important opportunity to improve mechanical properties of fusion welds and the weldability (cracking sensitivity) of the base metal. In this thesis, grain refinement was achieved for aluminium welds by additions of a grain refiner. For this purpose, inserts consisting of aluminium base metal and small additions of commercial Al Ti5B1 grain refiner were cast, deposited in base metal plates, and fused in a gas tungsten arc (GTA) welding process. As a result, higher grain refiner additions increased the weld’s titanium and boron content resulting in a significant decrease in the weld metal mean grain size up to 86%. This grain size reduction led to a transition from predominantly columnar to equiaxed grain shape (columnar to equiaxed transition CET). The grain refinement was thereby found to be strongly dependent upon the base metal chemical composition. Accordingly, the grain refining efficiency was the highest in commercial pure Al (Alloy 1050A, Al 99.5), followed by Alloy 6082 (Al Si1MgMn) and Alloy 5083 (Al Mg4.5Mn0.7). In this regard, the parameters P and Q were applied to investigate the influence of alloying elements on the supply of constitutional undercooling during solidification and on final grain size. Also, WDS (wavelength dispersive x-ray spectroscopy) and TEM (transmission electron microscopy) analysis found an increasing number of particles rich in Ti and B. These substrates are probably TiB2 particles coated by Al3Ti likely nucleating Al grains during solidification. The variation in torch speed showed that increasing torch speeds support the CET effect leading to many small and equiaxed grains at high torch speed. To give explanations for this observation, the thermal conditions, that are controlled by welding parameters such as torch speed, were determined with temperature measurements via thermocouples. These measurements revealed that solidification parameters like solidification growth rate, cooling rate, (local) thermal gradient and solidification time vary significantly along the solidification front (from weld centreline to weld fusion line). In a further step, the solidification parameters were related to the corresponding grain size and shape. On the basis of this comparison, an analytical approach was used to model the CET. This allowed the prediction of critical values for both solidification growth rate and thermal gradient, at which the CET occurs in aluminium weld metal. The influence of grain refinement on the weld mechanical properties was investigated in tensile tests. Accordingly, the ductility of Alloy 5083 welds was increased through grain refinement whereas no improvement in weld metal strength was observed. Furthermore, tear tests with notched specimens revealed for Alloy 1050A that the resistance against initiation and propagation of cracks in the weld metal can be enhanced through grain refinement. In addition, when welding Alloy 6082, weld metal grain refinement prevented the formation of centreline solidification cracking that was present only in welds with unrefined grain structure. On the basis of the above experiments, the Ti/B contents needed in commercial filler wires or rods to allow optimum weld metal grain refinement were estimated. Accordingly, this work gives specific recommendations to filler material producers through a simple calculation that considers the influence of base alloy and welding process. The results show that the Ti/B contents defined by the corresponding standards for filler alloys are too low to allow weld metal grain refinement.
The objective of this Ph.D. thesis is the development and validation of a VTOL-based (Vertical Take Off and Landing) micro-drone for the measurement of gas concentrations, to locate gas emission sources, and to build gas distribution maps. Gas distribution mapping and localization of a static gas source are complex tasks due to the turbulent nature of gas transport under natural conditions [1] and becomes even more challenging when airborne. This is especially so, when using a VTOL-based micro-drone that induces disturbances through its rotors, which heavily affects gas distribution. Besides the adaptation of a micro-drone for gas concentration measurements, a novel method for the determination of the wind vector in real-time is presented. The on-board sensors for the flight control of the micro-drone provide a basis for the wind vector calculation. Furthermore, robot operating software for controlling the micro-drone autonomously is developed and used to validate the algorithms developed within this Ph.D. thesis in simulations and real-world experiments. Three biologically inspired algorithms for locating gas sources are adapted and developed for use with the micro-drone: the surge-cast algorithm (a variant of the silkworm moth algorithm) [2], the zigzag / dung beetle algorithm [3], and a newly developed algorithm called “pseudo gradient algorithm”. The latter extracts from two spatially separated measuring positions the information necessary (concentration gradient and mean wind direction) to follow a gas plume to its emission source. The performance of the algorithms is evaluated in simulations and real-world experiments. The distance overhead and the gas source localization success rate are used as main performance criteria for comparing the algorithms. Next, a new method for gas source localization (GSL) based on a particle filter (PF) is presented. Each particle represents a weighted hypothesis of the gas source position. As a first step, the PF-based GSL algorithm uses gas and wind measurements to reason about the trajectory of a gas patch since it was released by the gas source until it reaches the measurement position of the micro-drone. Because of the chaotic nature of wind, an uncertainty about the wind direction has to be considered in the reconstruction process, which extends this trajectory to a patch path envelope (PPE). In general, the PPE describes the envelope of an area which the gas patch has passed with high probability. Then, the weights of the particles are updated based on the PPE. Given a uniform wind field over the search space and a single gas source, the reconstruction of multiple trajectories at different measurement locations using sufficient gas and wind measurements can lead to an accurate estimate of the gas source location, whose distance to the true source location is used as the main performance criterion. Simulations and real-world experiments are used to validate the proposed method. The aspect of environmental monitoring with a micro-drone is also discussed. Two different sampling approaches are suggested in order to address this problem. One method is the use of a predefined sweeping trajectory to explore the target area with the micro-drone in real-world gas distribution mapping experiments. As an alternative sampling approach an adaptive strategy is presented, which suggests next sampling points based on an artificial potential field to direct the micro-drone towards areas of high predictive mean and high predictive variance, while maximizing the coverage area. The purpose of the sensor planning component is to reduce the time that is necessary to converge to the final gas distribution model or to reliably identify important parameters of the distribution such as areas of high concentration. It is demonstrated that gas distribution models can provide an accurate estimate of the location of stationary gas sources. These strategies have been successfully tested in a variety of real-world experiments in different scenarios of gas release using different gas sensors to verify the reproducibility of the experiments. The adaptive strategy was also successfully validated in simulations using predefined sweeping trajectories as reference criteria. The results of this Ph.D. thesis reflect the applicability of gas-sensitive microdrones in a variety of scenarios of gas release. Effective counteractive measures can be set in motion after accidents involving gas emissions with the aid of spatially resolved gas concentration and wind data collected with micro-drones. Monitoring of geochemically active regions, landfills, CO2 storage facilities, and the localization of gas leaks are further areas of application.
Before the development of computational science, heat conduction problems were mainly solved by analytical techniques. Analytical solutions are exact solutions of differential equations; the investigated physical phenomena, for instance the temperature, are solved locally for one single point independently of the rest of the investigated structure resulting in extremely short computational times. These analytical solutions are however only valid for some simple geometries and boundary conditions making their applications for complex industrial geometries directly not possible. Numerical techniques, such as the Finite Element Method, enable overcoming this problem. However, the numerical simulation of the structural heat effect of welding for complex and large assemblies requires high computational effort and time. Therefore, the wide application of welding simulation in industry is not established, yet. The aim of this study is to combine the advantages of analytical and numerical simulation methods to accelerate the calibration of the thermal model of structure welding simulation. This is done firstly by calibrating automatically the simulation model with a fast analytical temperature field solution and secondly by solving the welding simulation problem numerically with the analytically calibrated input parameters. In order to achieve this goal, the analytical solution of the heat conduction problem for a point source moving in an infinite solid was extended and validated against reference models until a solution for a volumetric heat source moving on a thin small sheet with several arbitrary curved welding paths was found. The potential of this analytical solution by means of computational time was subsequently demonstrated on a semi-industrial geometry with large dimensions and several curved welds. The combined method was then transferred to an industrial assembly welded with four parallel welds. For this joint geometry, it was possible to apply the extended analytical solution. The calibration of the simulation model was done automatically against experimental data by combining the extended fast analytical solution with a global optimisation algorithm. For this calibration, more than 3000 direct simulations were required which run in less computational time than one corresponding single numerical simulation. The results of the numerical simulation executed with the analytically calibrated input parameters matched the experimental data within a scatter band of ± 10 %. The limit of the combined method is shown for an industrial assembly welded with eight overlap welds. For this joint geometry, a conventional numerical approach was applied, since no analytical solution was actually available. The final simulation results matched the experimental data within a scatter band of ± 10 %. The results of this work provide a comprehensive method to accelerate the calibration of the thermal model of the structure welding simulation of complex and large welded assemblies, even though within limitation. In the future, the implementation of this method in a welding simulation tool accessible to a typical industrial user still has to be done.
In der vorliegenden Arbeit wird das Schädigungsverhalten eines kurzglasfaserverstärkten Polyamids analysiert. Die Mikrorissschädigung wird mittels Röntgenrefraktionsanalyse für verschiedene mechanische Betriebsbelastungen untersucht. Dabei werden Möglichkeiten und Grenzen der Röntgenrefraktionsanalyse für kurzglasfaserverstärkte Polyamide herausgearbeitet. Insbesondere werden der Einfluss der Faserorientierungsverteilung und der Einfluss der Schädigungsmechanismen auf die Röntgenrefraktionsanalyse und deren Ergebnisinterpretation betrachtet. Die Methode ermöglicht eine quantitative und phänomenologisch basierte Mikrorissschädigungscharakterisierung. Für den untersuchten Werkstoff tritt Mikrorissschädigung in Form von Faser-Matrix-Ablösung und Matrixrissbildung auf. Die Schädigungshöhe korreliert linear mit dem nichtlinear elastischen Dehnungsanteil und ist abhängig von der Art der Betriebsbelastung. Eine Feuchtigkeitsaufnahme des Werkstoffs kann das Mikrorissschädigungsverhalten deutlich beeinflussen. Die Schädigung durch Mikrorissbildung tritt vorrangig unter Zugbelastungen auf. Die Makroschädigung durch Einzelrissfortschritt wird in Abhängigkeit der Faserorientierung und des Feuchtegehalts in einem automatisierten Versuch charakterisiert. Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse wird ein empirisches Berechnungsmodell erstellt. Die Untersuchungen des Mikro- und Makroschädigungsverhaltens werden fraktografisch begleitet, um die in den Modellvorstellungen vorausgesetzten Schädigungs- und Versagensmechanismen abzusichern.
Due to the growing environmental awareness worldwide, containment provisions for CO2 emissions in mobility systems and increasing performance requirements the demands on mechanical systems and their materials continuously rise. These high demands require the implementation of new technical approaches, for example of light-weight strategies in automotive powertrains, and directly raise questions about the suitability of the most promising technical solution. Two basic parameters, the surface hardness of the tooth flanks and the core fatigue strength of the tooth root, illustrate exemplarily increasing demands on material grades used for gear wheels in automotive powertrains. In addition to light-weight strategies, a reduction in friction and an increase of the fatigue lifetime are two other major development directions to strive the mentioned targets. It is clear that any kind of solution must show an equal application profile, preferably an improvement, compared to the state-of- the-art solutions. For tribological systems, the following paths may offer lower friction and higher load carrying capabilities: 1. Alternative base oils and additives (such as esters, polyglycols), 2. Thin film coatings (e.g. DLC) and/or 3. Novel steel metallurgies. In previous investigations on the slip-rolling resistance of thin film coatings (a-C, ta-C, Zr(C,N)) the substrates were mainly made of the bearing steels 100Cr6H and Cronidur 30. Applying contact pressures of up to P0max = 2.9 GPa (FN = 2,000 N), the samples were tested up to 10 million load cycles in endurance tests. The aim of the present work is to broaden the research by varying the input parameters. Newly developed engine oil mixtures, high performance thin film coatings and alternative steel solutions are intensively investigated in highly stressed slip-rolling contacts at lubricant temperatures of 120°C. Specifically, in using new steel metallurgies, i.e. the high toughness and high strength steels V300 and NC310YW (Aubert & Duval) as well as CSS-42L (Latrobe Specialty Steel Company), in combination with thin film coatings, even if they compete in the uncoated state, the Hertzian contact pressures could be increased up to P0max = 4.2 GPa (FN = 5,000 N) without any surface failures of coating or substrate. It was shown that selected thin film coatings can minimize the wear rates down to nearly ‘zero-wear’ in highly stressed contacts [Woy08] [Woy11]. In addition, the studies revealed not only the high potential in slip-rolling resistance, but also a possible friction reduction down to 0.047 by use of uncoated steels with increased toughness. Compared to steels like 100Cr6H and Cronidur 30 this means a reduction in friction of approximately 40% under identical testing conditions. Different test series with newly developed base oil-additive formulations were investigated with specific emphasis on the frictional behavior of selected bio-no-tox EP/AW additives and friction modifiers. Additional influencing factors like the structural and surface conditions of the steels/coatings before and after the tests were analyzed by means of REM, EDX, XRD and TEM.
Generally accepted quality criteria for the comparison of immunoassays are still missing and assay conditions vary greatly between different laboratories. To address this problem, the influence of different parameters on the overall assay performance was assessed, specifically for different enzyme immunoassays (EIAs) for the anthropogenic markers caffeine (CAF) and carbamazepine (CBZ). Special emphasis was dedicated to the parameters temperature, assay format and enzyme-substrate combination. The temperature parameter was systematically studied for all incubation steps of the direct EIA formats employing the photometric horseradish peroxidase (HRP) substrate 3,3’,5,5’- tetramethylbenzidine (TMB) and the fluorometric HRP substrate 3-(4-hydroxyphenyl)propionic acid for both analytes. A temperature decrease only during the competition step led to an increase in assay sensitivity by a factor of 10 to 15 for CBZ and CAF, respectively, independent of the enzyme substrate used. Room temperature experiments yielded the smallest coefficients of variations, minimizing the edge effect. The influence of the assay format on different performance parameters was studied with the determination of CAF in consumer products. In addition to the HRP substrates, the enzyme alkaline phosphate (AP) and its chromogenic substrate para-nitrophenyl phosphate and a fluorescent substrate, 4-methylumbelliferyl phosphate, were employed. Seven quality criteria were defined and validated to compare these immunoassays. The evaluation of the four criteria (sensitivity, measurement range, relative dynamic range and goodness of fit) for the standard curves revealed that the direct format is superior to the indirect format, with the HRP TMB format showing the best performance. Three additional criteria for an applicationdriven analysis of real samples, in this case CAF-containing beverages and cosmetics, confirmed this result in terms of accuracy as well as intra- and inter-plate precision. The enzyme-substrate combination was investigated when several direct CBZ assays were applied to the analysis of water samples; here, three HRP assays and four AP assays were studied, along with luminescence detection. The HRP assays reached better sensitivities and lower quantifiable concentrations compared to the AP assays. Only the HRP assays and the chemiluminescent AP juice assay fulfilled the requirements for the four criteria applied to standard curves; all other AP assays were not considered for application to real samples based on these criteria. The AP juice assay can only be employed for influent samples whereas all HRP assays are applicable to influent and effluent wastewater samples according to intra- and inter-plate precision. Furthermore, the HRP assays alone are suitable for surface water analysis; here, the chromogenic HRP TMB assay yielded the best results, as any type of water sample can be quantified with high precision. Whether these quality criteria, derived here for standard curves as well as their application to real samples, can be transferred to other immunoassay formats for quality assurance remains to be shown.
Verschiedene experimentelle Untersuchungen sind zur Erlangung einer Zulassung für Gefahrgutverpackungen notwendig, um die Eignung der Verpackung für den Transport gefährlicher Guter nachzuweisen. Ziel sind keine absoluten Werte für die Zeit bis zum Versagen bei der Innendruckprüfung oder die mittlere Versagensfallhöhe, sondern die Veränderung des Verpackungsverhaltens bei dem Einsatz eines anderen HDPEs. Alle Kanister aus den vier verschiedenen Werkstoffen wurden speziell hergestellt, um die Werkstoffeigenschaften differenziert beurteilen zu können. Das Granulat, aus dem die Platten gepresst und die Kanister hergestellt wurden, stammte aus derselben Charge, um Schwankungen zwischen den Chargen als Einflussquelle auszuschließen. Die Wanddicke ist entscheidend, daher wurden die Verpackungen mit dem Computertomographen und mittels Streifenprojektionsverfahren vermessen und die Ergebnisse mit dem magnetostatischen Messverfahren verglichen. Die Verformung bei der Innendruckprüfung wurde mittels Stereo-Bildkorrelationsverfahren vermessen. Die Verschiebung in radialer Richtung sowie die aquivalente Dehnung wurden ausgewertet und konnten in der numerischen Berechnung nachgebildet werden. Ebenso deren starke Beschleunigung aufgrund der Quellung, indem die Temperatur im Materialgesetz entsprechend der Quellung verwendet wurde. Der Widerstand gegen Innendruck und das Absorptionsverhalten hangen von der Dichte des Werkstoffs ab. Die Konditionierung bei erhöhter Temperatur führt zu Nachkristallisation und zum Abbau von Eigenspannungen. Die Veränderung der Dichte zwischen den Werkstoffen kann anhand gepresster Platten beurteilt werden. Eine höhere Dichte führt zu einem besseren Bauteilverhalten unter Innendruck. Der Zusammenhang von mittlerer Versagensfallhöhe und der Schlagzugzähigkeit gekerbter Proben aus den Seitenwanden der Kanister sowie der Kerbschlagzähigkeit von gepressten Platten konnte nachgewiesen werden. Eine höhere Kerbschlagzähigkeit führt zu einer höheren mittleren Versagensfallhöhe. Eine geringe Beständigkeit gegen oxidativen Abbau senkt die mittlere Versagensfallhöhe drastisch. Bei einer hohen Beständigkeit gegen oxidativen Abbau führt die Vorlagerung mit Salpetersaure jedoch nicht zu einer Verringerung der mittleren Versagensfallhöhe im Vergleich zum Zustand ohne Vorlagerung. Der oxidative Abbau kann an gepressten Platten ermittelt werden und erlaubt einen Ruckschluss auf die Veränderung der mittleren Versagensfallhöhe.
en vielen Vorteilen der Strahlschweißverfahren stehen die mit ihnen erzeugten hohen Längszugeigenspannungen in den Schweißnähten entgegen. Diese können, da sie im Bereich der lokalen Werkstoffstreckgrenze vorliegen, die Bauteillebensdauer beeinflussen. Bei anderen Schweißprozessen sind ebenfalls hohe Eigenspannungen in den Schweißnähten die Folge, jedoch überwiegen hier die Querspannungen. Für diese Schweißverfahren sind in den letzten Jahrzehnten einige Methoden entwickelt worden, um die Schweißeigenspannungen bereits während des Schweißens bzw. nach dem Schweißprozess zu reduzieren. Hierbei werden jedoch meist große Kontaktflächen auf dem Bauteil direkt neben der Schweißnaht sowie zusätzliches an das Bauteil angepasstes Equipment benötigt. Zudem zeigen die bisherigen entwickelten Verfahren für die schmalen Strahlschweißnähte eine geringe Effizienz. Der Abbau der Eigenspannungen mit der Strahlquelle, die auch für den Schweißprozess genutzt wird, bietet hier ein flexibles Werkzeug, das keine zusätzlichen Beschaffungskosten erzeugt und infolge einer Remote- Wärmebehandlung auch für komplexe Schweißnahtformen und Bauteilgeometrien anwendbar ist. Bei dieser nachträglichen Wärmebehandlung werden die Materialbereiche neben der Naht durch den defokussierten Elektronen- bzw. Laserstrahl auf Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius erwärmt. Hierdurch werden in diesen Bereichen geringe plastische Deformationen erzeugt. Beim Abkühlen des erwärmten Materials wird infolge der thermischen Schrumpfung das Material zwischen der Schweißnaht und den erwärmten Zonen in Nahtlängsrichtung gestaucht. Diese gestauchten Materialbereiche behinderten die Schweißnaht während der Abkühlung von der Schmelztemperatur beim thermischen Schrumpfen. Somit wird der Widerstand gegen die Schrumpfung der Schweißnaht verringert und die Eigenspannungen in der Naht können sich teilweise abbauen. Dabei bestimmt die Wahl der Wärmebehandlungsparameter die Quantität der erhaltenen Spannungsreduktion. Der genutzte Strahlradius und die Vorschubgeschwindigkeit der Wärmebehandlung entlang der Schweißnaht spielen hier eine sehr große Rolle. Aber auch der zu verwendende seitliche Abstand der Wärmebehandlung zur Schweißnaht, der sich am Strahlradius orientiert, sollte richtig gewählt sein. Für die qualitativen und quantitativen Untersuchungen des Längsspannungsabbaus in strahlgeschweißten Bauteilen mit diesem Verfahren wurde eine ganze Reihe von FEM-Simulationen durchgeführt. Diese dienen der Erläuterung des Spannungsabbaus sowie der Analyse und Bewertung der Einflussparameter. Experimentelle Untersuchungen mit dem Elektronen- sowie mit dem Laserstrahl an unterschiedlichen Werkstoffen und Schweißnahtgeometrien belegen, dass mit diesem Verfahren die hohen Längszugeigenspannungen je nach verwendetem Parametersatz so stark abgebaut werden können, dass daraus Druckeigenspannungen in der Schweißnaht resultieren können. Vor allem für die Laserstrahlanwendung, bei der ein In-situ-Wärmebehandlungsprozess während des Schweißens mit nur einem Strahl aufgrund der relativ langsamen Strahlsteuerung nicht möglich ist, ist von großer Bedeutung, dass dieses Verfahren größere Spannungsreduktionen erzielt, wenn die Schweißnaht bereits auf Umgebungstemperaturabkühlen konnte, bevor die Wärmebehandlung ausgeführt wird.
Investigation of an active air sampling strategy for biocides, PCBs and PAHs at low air change rates
(2013)
The aim of this study was to develop a low volume air sampling strategy for biocides, polychlorinated biphenyls (PCB) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) at low air change rates. Firstly a method of measurement for the GC-MS-MS system had to be created before an adsorbent for the air sampling of these compound classes was selected in elution experiments with target compound solutions. The key requirements for the adsorbent were that it had to engender a faster and easier work-up process while reducing solvent consumption, as it is not the case for the frequently used polyurethane foam (PUF) and XAD adsorbents. Using the selected adsorbent, air sampling quality was tested and compared with the one of PUF in experiments performed in a Micro-Chamber/Thermal Extractor™ (μ- CTE™, Markes International) with target compound solutions. To achieve air sampling under the aforementioned conditions the influences of temperature, air circulation, air change rate and relative humidity on the emission behavior of the selected biocides, PCBs and PAHs were investigated. This investigation was carried out with self soaked wood samples in low volume air sampling experiments in a μ-CTE, 23 l and 24 l emission test chambers and 27 l showcases. Furthermore, an active air sampling strategy for biocides, PCBs and PAHs at low air change rates was successfully tested in a 24 l emission test chamber. Sampling volumes of 24-50 l were tested with the developed low volume air sampling strategy with limits of quantification between 1-27 μg m-3. A styrene divinylbenzene polymer was selected as a suitable adsorbent and sampling of at least 100 ng μl-1 of biocides, PCBs and PAHs without breakthroughs were possible with 200 mg of this polymer. This corresponds to a concentration range of 3000-6250 μg m-3 for these low sampling volumes. The low volume air sampling method developed in this study was successfully applied in projects investigating real wood samples in the μ-CTE as well as in low volume indoor air samples. In these experiments the applicability of the method was partly compared with a method using a different adsorbent.
Eine Vielzahl von Schwergasunfällen der Vergangenheit verdeutlichen das Gefahrenpotential, das von brennbaren und vor allem toxischen Schwergasen ausgeht. Zur Bestimmung des Gefährdungsbereichs müssen in diesem Fall Ausbreitungsabschätzungen angestellt werden. Während der Gefährdungsbereich für brennbare Gase auf das Erreichen der unteren Explosionsgrenze (c > 1 Vol.-%) beschränkt ist, so ergibt sich bei der Freisetzung toxischer Gase ein weitaus größerer Gefahrenbereich. Toxische Gase haben auch in sehr geringen Konzentrationen (c < 3000 ppm) noch ein hohes Schadenspotenzial. Zur Abschätzung der Schwergasausbreitung kann die VDI-Richtlinie 3783 verwendet werden. Diese Richtlinie entspricht zurzeit dem Stand des Wissens in Deutschland. Die VDI 3783 macht keine Angaben zur Höhe und Breite der Schwergaswolke, welche sowohl im Rahmen von quantitativen Risikoanalysen als auch evtl. für die Kopplung eines Lagrangeschen-Partikelmodells mit dem Schwergasmodell erforderlich sind. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb Berechnungen mit verschiedenen Modellen zur Erweiterung der VDI 3783 durchgeführt. Die Berechnungsergebnisse wurden mit experimentellen Untersuchungen zur Länge, Breite und Höhe des Schwer- und Neutralgasbereichs verglichen und bewertet. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Quellhöhe auf die Schwergasausbreitung untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass sich die Länge des Schwergasbereichs mit zunehmender Quellhöhe verringert und ab einer kritischen Höhe kein Schwergasbereich am Boden mehr vorliegt. Für Freisetzungshöhen über der kritischen Quellhöhe ist der Schwergaseffekt vernachlässigbar und es ist keine Berechnung nach der VDI 3783, Blatt 2 erforderlich. Die Freisetzung des Schwergases kann hierbei sowohl aus einer verfahrenstechnischen Anlage als auch aus handelsüblichen Gasflaschen erfolgen. Für die Freisetzung aus handelsüblichen Gasflaschen wurde ein mathematisches Modell zur Vorhersage des zeitabhängigen Massenstroms weiterentwickelt. Dieses Modell beinhaltet die Berechnung der instationären Wärmeleitung in der Flaschenwand, eine komplexe Beschreibung der Energieund Massenbilanzen sowie die Berücksichtigung einer Zweiphasenströmung. Zur Validierung des Modells wurden experimentelle Untersuchungen mit verschiedenen Gasen, Gasflaschengrößen und –typen durchgeführt. Experimentelle Ergebnisse und Berechnungen zeigen eine gute Übereinstimmung.
TRIP Stähle realisieren durch eine unter mechanischer Beanspruchung hervorgerufene Phasenumwandlung von metastabilen Austenit in Martensit (TRIP-Effekt) hohe Festigkeiten bei gleichzeitig guten Verformungseigenschaften. Während der Verarbeitung dieser Werkstoffe mittels Widerstandspunktschweißen können unter den prozessspezifischen extremen Aufheiz- und Abkühlraten Modifikationen des Austenitanteils hervorgerufen werden die als Folge lokal zu einer Änderung der mechanisch-technologischen Eigenschaften führen. Wesentliche Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war daher die Analyse der Gefügestruktur im Bereich einer Punktschweißverbindung hinsichtlich der Änderung des Austenitanteils und den daraus resultierenden Änderungen der lokalen mechanischen Eigenschaften unter besonderer Berücksichtigung des TRIP-Effekts. Durch in-situ Beugungsuntersuchungen mittels hochenergetischer Synchrotronstrahlung erfolgte zunächst die Quantifizierung des metastabilen Austenitanteils im unbehandelten Grundwerkstoff. Darauf aufbauend wurden unter definierten Temperaturprofilen in Ofenversuchen die grundlegenden Aspekte der thermisch bedingten Austenitumwandlung im Aufheiz- und Abkühlprozess untersucht. Durch Gleeble-Versuche und Ofenexperimente wurden weiterführend verschiedene Temperaturprofile mit unterschiedlichen im Punktschweißprozess lokal vorliegende Spitzentemperaturen genutzt um eine systematische Bewertung des Einflusses der Temperatur und der Aufheiz- sowie der Abkühlbedingungen auf den Austenitgehalt unter realen Bedingungen zu ermöglichen. Durch Korrelationsuntersuchungen zwischen den mechanischen Kennwerten thermisch präparierter Zugproben und den mittels Metallographisch wie auch röntgenographisch ermittelten Austenitgehalten konnten die metastabilen, d.h. umwandlungsfähigen Austenitanteile bestimmt werden. Schließlich erfolgte eine Bewertung hinschlich der Übertragbarkeit der Ergebnisse auf reale Widerstandspunktschweißverbindungen. Es wurde dabei der Nachweis erbracht, dass die Austenit-Martensit-Phasenumwandlung lediglich in einem lokal eng begrenzen Werkstoffbereich am Übergang WEZ/Grundwerkstoff wirksam werden kann. Demzufolge führt der TRIP-Effekt zu keiner signifikanten Beeinflussung von Festigkeits- und Verformungseigenschaften im Fügebereich von widerstandspunktgeschweißten TRIP Stählen. Die ermittelten mechanischen Kennwerte wurden abschließend als Eingangsdaten für die numerische Simulation des Verformungs- und Festigkeitsverhaltens von Punkschweißverbindungen genutzt. Dabei wurde insbesondere die Notwendigkeit der Implementierung von mechanischen Kenndaten der Wärmeeinflusszone für eine realitätsnahe Modellierung von Scherzugversuchen untersucht.
The reduced size of nanoparticles (diameter < 100 nm) confers them high specific surface areas and permeability through many biological pathways resulting in high interaction with biological systems. Therefore, in the recent years, nanoparticles (NPs) have increasingly found many applications in biomedical research. Herein, silica-based NPs are among the most promising candidates for biomedical studies due to their relative low toxicity and the possibility of functional variability. The main focus of this thesis work has been the synthesis and characterisation of novel hybrid NPs with enhanced properties for biomedical studies. More specifically, suppression of protein adsorption and achievement of highly fluorescent NPs in serum-rich media are well focused. First, a chemical strategy for the preparation of highly fluorescent silica nanoparticles by covalent attachment of Alexa dyes and subsequent shielding by an additional pure silica shell is well presented. These nanoparticles were investigated by Dynamic light scattering (DLS), Transmission electron microscopy (TEM) and fluorescence spectroscopy, the latter includes determination of absolute fluorescence quantum yields of such scattering suspensions with an integrating sphere setup and the assignment of fluorescence intensity values. At low shelling extension core-shell fluorescent silica nanoparticles show smooth surfaces and high quantum yields, even comparable to those for free dyes. However, by increasing the amount of shell precursor, nanoparticle surfaces show raspberry morphologies and decay of the quantum yields. Secondly, two different types of novel silica-poly(ethylene glycol) hybrid nanoparticles (H- SiO2-PEG and G- SiO2@PEG) have been synthesized by use of the same polymer precursor: Here the influence of concentration of the polymer precursor poly(ethylene glycol) methyl ether-3-(triethoxysilyl) propyl urethane (mPEG-IPTES) on the particle properties was scrutinised. For polymer grafted NPs, the concentration of polymer precursor increases the PEG density and the hydrophobicity of the NPs surface. On the other hand, for condensated NPs, the polymer precursor influences the size, but not the density of polymer chains on the NPs surface, which indicates that PEG on the surface of the NPs effectively reduces the adsorption of Bovine serum albumin (BSA). Finally, the influence of polymer length on the ability to repel BSA adsorption onto nanoparticles is reported. SNPs@PEG with different molecular weights (mPEG: 350, 2000 and 5000 g/mol) were synthesized by nucleophilic substitution of tosylated mPEG to aminated silica nanoparticles (chemical grafting). The resulted hybrid nanoparticles were consistently characterized by DLS, TEM, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Thermogravimetric analysis (TGA) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). BSA at different concentrations were used as a model protein to study the protein-corona formation after adsorption onto the pristine and modified nanoparticles (SNPs@PEG). For pristine SNPs and SNPs@PEG (MW = 350 g/mol), zeta potential at different incubation times (0, 24 and 48 h) show a dynamic evolution of the nanoparticle-protein corona. Conversely, for SNPs@PEG with MW ≥ 2000 g/mol, a significant suppression of corona formation and time evolution was observed. In resume, protein corona is strongly influenced by the adsorption inhibition of PEG surfaces.
Characterization of Polymer Nanocomposites based on Layered Double Hydroxide and Carbon Nanotubes
(2013)
Polymer based nanocomposites by melt blending of synthesized ZnAl-Layered Double Hydroxide (ZnAl-LDH) and Polyolefines [Polypropylene (PP) and Polyethylene (PE)] and also Polylactide (PLA) with MgAl-LDH and multi-walled Carbon Nanotubes (MWCNT) were investigated. The LDH was organically modified by using a surfactant sodium dodecylbenzene sulfonate (SDBS) to increase the interlayer spacing of the LDH, so that polymer chains can intercalate the inter layer galleries. Some amount of maleic anhydride grafted PP and PE were incorporated in the nanocomposites based on PP and PE respectively to enable the interaction of the non-polar polymers (PP and PE) with the LDH. The resulting morphology was investigated by a combination of Differential Scanning Calorimeter (DSC), Small and Wide-angle X-ray scattering (SAXS and WAXS) and broadband dielectric relaxation spectroscopy (BDS). In case of LDH based nanocomposites (PP, PE and PLA), the homogeneity of the nanocomposites and the average number of stack size (4 – 7 layers) were determined using scanning micro focus SAXS (BESSY II). DSC investigations of PP and PE based LDH nanocomposites showed a linear decrease in crystallinity as a function of filler concentration. The extrapolation of this decreasing dependence to zero estimates a limiting concentration of 40 wt% and 45 wt% respectively. Above this amount of LDH the crystallinity of the polymers is completely suppressed. This finding is in agreement with WAXS investigations where the area below the crystalline reflections and amorphous halo were calculated and used to estimate the degree of crystallinity. PLA/LDH nanocomposites presented a little different behavior, the crystallinity of the polymer at first increases and then decreases as a function of LDH concentration. In this case the crystallinity will be suppressed at around 15 wt%. The dielectric spectra of the nanocomposites based on PP/LDH and PE/LDH show several relaxation processes which are discussed in detail. The intensity of the dynamic glass transition increases with the concentration of LDH. This is attributed to the increasing concentration of the exchanged anion dodecylbenzene sulfonate (SDBS) which is adsorbed at the LDH layers. Therefore, a detailed analysis of the β-relaxation provides information about the structure and the molecular dynamics in the interfacial region between the LDH layers and the polymer matrix which is otherwise dielectrically invisible (low dipole moment, non-polar). In case of PLA/LDH, three relaxation processes related to dynamic glass transition and one localized fluctuations were identified and analyzed in detail to understand the morphology. For this system, one dynamic glass transition process originates from the fluctuations of the interfacial molecules, second from the PLA matrix (polar polymer, C=O in the main chain) and the third from segments confined between the intercalated LDH sheets. Additional thermal investigations were carried out for PP/LDH and PLA/LDH samples. The increase in the rigid amorphous fraction (RAF) was observed in both the cases. This is attributed to the polymer molecules which are in close proximity to LDH sheets, as they hinder their mobility. This is analyzed in detail and related to the BDS results. PLA based MWCNT nanocomposites were investigated by BDS as initial result. The findings showed that between 0.5 and 1 wt% of CNT, a percolating network of the nanotubes is formed which leads to DC conductivity. This is due to the high aspect ratio of the CNTs and also the van der Waals interaction between the nanotubes which forms a network leading to conductivity.
High-strength concrete (HSC) will experience thermal microcracking, explosive spalling, and undesirable chemical changes when exposed to high temperatures, such as during fire, engulfment by lava flow, or nuclear meltdown. Knowledge of the resultant changes in mechanical, physical, and chemical properties is paramount for hazard mitigation. We present a multidisciplinary study on the influence of thermal-stressing on HSC. Our study shows that thermal microcracking in HSC initiates at 180 °C, is more prevalent during cooling, and exhibits the Kaiser 'temperature-memory' effect. We show that residual compressive strength, indirect tensile strength, ultrasonic wave velocities, and Youngs modulus and Poissons ratio decrease, whilst porosity and permeability increase with increasing temperature. We discuss these data in terms of the chemical changes during thermal-stressing, provided by thermo-gravimetric analysis, differential scanning calorimetry, and X-ray diffraction, and from optical microscopic analysis of thermally-stressed samples. We provide implications for thermally-damaged HSC structures and a new method for non-destructive monitoring.
The appropriate strength of steels used for saline aquifer carbon capture and storage sites (CCS) is usually achieved by applying heat treatments. Thus, heat treatment influences the corrosion resistance for injection pipe steels with 13% chromium and different carbon content: 1.4034/X46Cr13 and 1.4021/X20Cr13 in CO2 saturated saline aquifer water at 60 °C, 1 and 100 bar. X46Cr13 shows better corrosion resistance with respect to corrosion rate, number of pits and maximum intrusion depth. Low corrosion rates are obtained for steels with martensitic microstructures exposed to supercritical CO2 at 100 bar, whereas normalized steels show better corrosion resistance at ambient pressure.
Armaturen und Anlagenteile für Hochdruck-Sauerstoff enthalten meistens nichtmetallische Materialen als Sitz- und Dichtungswerkstoffe. Die Gefahr eines Ausbrands dieser Armaturen; ist grundsätzlich vorhanden, jedoch relativ gering, wenn neben dem richtigen Design geeignete metallische und nichtmetallische Materialien für die vorgesehenen Betriebsbedingungen von Druck und Temperatur gewählt werden. Aus sicherheitstechnischer Sicht sollte daher für Armaturen und Anlagenteile, die komplett aus Metall gefertigt und metallisch abgedichtet werden, eine noch geringere Gefahr eines Ausbrands bestehen. Während einer Versuchsreihe auf dem BAM-TTS- Frei Versuchsgelände mit Hochdruck-Sauerstoff brannte jedoch unerwartet ein solches - rein metallisches Anlagenteil - komplett ab. Bei diesen Versuchen platzt eine metallische Membran wie eine Berstscheibe bei einem bestimmten Sauerstoffdruck auf.
Weltweit besteht einen hoher, stetig wachsender Bedarf an Natursteininstandsetzung im Bereich des denkmalgeschützten Kulturguts. Das Ausbessem beschädigter Elemente mit sogenannten Steinersatzmassen ist dabei eine etablierte Technik. Hierfür werden Mörtel unterschiedlichster Zusammensetzung verwendet. Die Schwierigkeit für den Restaurator liegt in der Wahl, bzw. der Verfügbarkeit des optimalen Produkts, um im individuellen Fall sowohl den mechanischen und bauphysikalischen Anforderungen als auch den gestalterischen und denkmalpflegerischen Belangen gerecht zu werden. Anhand der im Beitrag an Fallbeispielen erläuterten häufig auftretenden Probleme und der daraus abgeleiteten Anforderungen an Natursteininstandsetzung, lässt sich die Komplexität dieser Aufgabe erkennen. An der BAM wird derzeit im Rahmen eines Forschungsprojekts ein modulares Steinersatzsystem entwickelt. Ziel der Entwicklung ist es dem Restaurator die größtmögliche Freiheit in der Anpassung des Mörtels an die Originalsubstanz zu geben. Erste Ergebnisse aus Parameterstudien zur Bindemittel- und Sandvariation sowie zu Polymermodifikationen werden vorgestellt.
Staubexplosionen können in nahezu allen Branchen auftreten, in denen brennbare Schüttgüter und Stäube gehandhabt werden oder entstehen können, vor allem dort, wo Stäube in aufgewirbelter Form vorkommen. Abgelagerte Stäube können bei starker Erwärmung zur Entzündung gelangen. Die Beurteilung daraus entstehender Gefahren und das Auslegen von vorbeugenden und konstruktiven Schutzmaßnahmen erfolgt über sog. sicherheitstechnische Kenngrößen (STK). Im Rahmen eines vom Bundesland Sachsen geförderten Projekts sind von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) STK brennbarer Stäube zu Staubgruppen zusammengefasst und in den Gemeinsamen Stoffdatenpool Bund/Länder (GSBL) integriert worden. Grundlage für die Staubgruppen waren zahlreiche Datensätze, die in der Datenbank GESTIS-STAUB-EX des Instituts für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) veröffentlich sind. Angegeben werden allerdings nicht mehr die dort enthaltenen Kenngrößen einzelner Stäube, sondern Bandbreiten, innerhalb derer sich die STK der in den Staubgruppen zusammengefassten Stäube bewegen können. Je nach Datenlage wurden die sicherheitsrelevanten Grenzen dieser Bandbreiten mit einem Ranking versehen.
Grain refinement is an important possibility to enhance the mechanical properties such as strength, ductility and toughness of aluminium weld metal. In this study, grain refinement was achieved through the addition of commercial grain refiner Al Ti5B1 to gas tungsten arc weld metal of the aluminium alloys 1050A (Al 99.5) and 5083 (Al Mg4.5Mn0.7). The grain refiner additions led to a significant reduction of the weld metal mean grain size (Alloy 1050A, 86 %; Alloy 5083, 44 %) with a change in grain shape from columnar to equiaxed. Tensile tests showed for Alloy 5083 that the weld metal's ductility can be increased through grain refinement. No improvement in weld metal strength (i.e. yield strength and ultimate tensile strength) was observed. Furthermore, tear tests with notched specimens revealed that the resistance against initiation and propagation of cracks in the weld metal can be enhanced through grain refinement. The toughness was observed to increase clearly by grain refinement in weld metal of commercial pure Al (Alloy 1050A). In Alloy 5083 weld metal, the toughness was not improved through grain refinement, likely because of a semi-continuous network of brittle intermetallic phases that facilitate crack propagation.
Komplexe Bauteile ohne Fügestellen sind die Spezialität additiver Verfahren. Immer deutlicher wird der Wert dieser Technologie für den Turbomaschinenbau, etwa bei der Fertigung von Turbinenschaufeln mit inneren Kühlstrukturen. Wichtig für vorbildgetreue Turbinenkomponenten: Die Technologie ermöglicht die Fertigung von Freiformen und Hinterschnitten, von außen- und innenliegenden filigranen, komplexen Strukturen als Einzelteil - und das in einem einzigen Arbeitsschritt. Des Weiteren benötigen additive Verfahren keine formgebenden Werkzeuge und weisen demnach kürzere Prozessketten im Vergleich zu konventionellen Herstellungsverfahren auf. Wirtschaftliche Vorteile kommen vor allem bei kleinen Losgrößen und Bauteilabmessungen zur Geltung.
In diesem Artikel werden am Beispiel einer Turbinenschaufel Schlüsseltechnologien einer additiven Prozesskette gezeigt. Zunächst erfolgt die additive Fertigung einer Turbinenschaufel mittels Selective Laser Melting (SLM). Das Verfahren ermöglicht die Integration innenliegender Kühlkanäle. An dieser Schaufel wird anschließend mittels Laser-PulverAuftragschweißen (LPA) die Reparatur unterschiedlicher Beschädigungen demonstriert. Im nächsten Schritt der Prozesskette bietet ein optischer 3D-Scan der Schaufel die Möglichkeit zur Qualitätskontrolle und zum Vergleich der Bauteilabmessungen mit der Sollgeometrie.
Die dauerhafte messtechnische Überwachung von Brückenbauwerken ist nach wie vor eine neuartige Verfahrensweise zur Bestimmung des Ist-Zustandes von Tragwerken. Der Fachbereich 7.2 Ingenieurbau der BAM befasst sich seit mittlerweise mehr als 25 Jahren mit der Entwicklung von Methoden und Verfahren dieser Form der Bauwerksüberwachung. Die damit verbundene Tätigkeit umfasst die Beschreibung theoretischer Grundlagen, die Entwicklung von Algorithmen zur Erfassung, Bearbeitung und Auswertung von Messsignalen, die Bewertung der Ergebnisse bezüglich Tragsicherheit, Gebrauchstauglichkeit und Restnutzungsdauer und nicht zuletzt die Untersuchung und Verifizierung der praktischen Anwendbarkeit.
Dabei standen insbesondere die sogenannten dynamischen Verfahren im Blickpunkt der Aktivitäten. Ursprünglich zur Überwachung von rotierenden Maschinenkomponenten entwickelt und dann auch erfolgreich zur Überwachung von Bauteilen der Flugzeug-, Raumfahrt- und Automobilindustrie weiterentwickelt, weckten diese Verfahren weltweit das Interesse der sich mit der Sicherheit bestehender Baukonstruktionen befassenden Wissenschaftler und Ingenieure.
Ein beachtenswertes Projekt der BAM in diesem Zusammenhang ist die Dauerüberwachung der Westendbrücke in Berlin, das Mitte der 90er Jahre von der damaligen Senatsverwaltung für Stadtentwicklung von Berlin (ehemals Bauen, Wohnen und Verkehr) in Auftrag gegeben und über viele Jahre gefördert wurde. Im Rahmen dieses Aufsatzes werden am Beispiel dieses Projektes, das sich wie ein roter Faden durch die Entwicklungsgeschichte des Monitorings an der BAM zieht, die Motivationen und Zielstellungen dargelegt, das Überwachungssystem vorgestellt und die gemachten Erfahrungen anhand einiger Ergebnisse erläutert. In einem weiteren Kapitel wird ein Ausblick auf die Zukunft des Monitorings mit angepassten Zielvorstellungen, neuen Methodiken und Strategien geworfen.
In den letzten Jahren ist der Markt für Grobspanplatten (engl.: Oriented Strand Boards, OSB) zum Einsatz beim Hausbau gewachsen. Die Platten werden in Deutschland und Europa hauptsächlich aus Kiefernholz hergestellt und finden Verwendung in Bodenbelägen, Decken und Wänden. Durch ihren Einsatz kann es zu gesundheitlichen Beschwerden, wie Geruchsbelästigungen oder Schleimhautreizungen, kommen. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat im Auftrag des Umweltbundesamtes (UBA) ein Forschungsvorhaben zu Emissionen aus Holz und Holzwerkstoffen durchgeführt. In Emissionsprüfkammern wurden unter anderem Proben von sechs OSB-Platten aus Baumärkten untersucht und ihre VOC-Emissionen (engl.: Volatile Organic Compounds, VOC) gemessen. Vier dieser Platten von drei verschiedenen Herstellern würden die Anforderungen des Ausschusses zur gesundheitlichen Bewertung von Bauprodukten (AgBB) nicht einhalten. Größtes Problem hierbei sind die ungesättigten Aldehyde. Der Einsatz von Antioxidantien während der Produktion kann helfen, ungewollte Emissionen deutlich zu reduzieren.
Modeling of gas metal arc welding process using an analytically determined volumetric heat source
(2013)
High peak temperature and continuous deposition of electrode droplets in the weld puddle inhibit real-time monitoring of thermal cycles and bead dimensions in gas metal arc welding. A three-dimensional numerical heat transfer model is presented here to compute temperature field and bead dimensions considering a volumetric heat source to account for the transfer of arc energy into the weld pool. The heat source dimensions are analytically estimated as function of welding conditions and original joint geometry. The deposition of electrode material is modeled using deactivation and activation of discrete elements in a presumed V-groove joint geometry. The computed values of bead dimensions and thermal cycles are validated with the corresponding measured results. A comparison of the analytically estimated heat source dimensions and the corresponding numerically computed bead dimensions indicate that the former could rightly serve as the basis for conduction heat transfer based models of gas metal arc welding process.
The CuII complex of H4TETP (H4TETP = 1,4,8,11-tetraazatetradecane-1,4,8,11-tetrapropionic acid) is five-coordinate with a distorted square-pyramidal structure (τ = 0.45; i.e. the geometry is nearly half-way between square-pyramidal and trigonal-bipyramidal) and a relatively long Cu–N and a short Cu–O bond; the comparison between powder and solution electronic spectroscopy, the frozen solution EPR spectrum and ligand-field-based calculations (angular overlap model, AOM) indicate that the solution and solid state structures are very similar, i.e. the complex has a relatively low 'in-plane' and a significant axial ligand field with a dx²-y² ground state. The ligand-enforced structure is therefore shown to lead to a partially quenched Jahn–Teller distortion and to a relatively low complex stability, lower than with the corresponding acetate-derived ligand H4TETA. This is confirmed by potentiometric titration and by the biodistribution with 64Cu-labeled ligands which show that the uptake in the liver is significantly increased with the H4TETP-based system.
Polyoxometalates (POMs) are inorganic cluster compounds that have been shown to possess a number of pharmacological properties, including antidiabetic, antibacterial, antiprotozoal, antiviral and anticancer activities. Their molecular mechanism of action is largely unknown. However, several studies indicate that many of their activities may be due to the inhibition of enzymes, in particular, of those enzymes that are accessible from the extracellular space and do not require the penetration of cell membranes. In this review, we describe the recent progress in the preparation and optimization of POMs, and an evaluation of their use as inhibitors of different families of enzymes. The next important steps in this area of research will be to gain a better understanding of the interactions of POMs with enzymes on a structural level through an X-ray crystallographic study of enzyme–POM complexes and the analysis of structure–activity relationships. Furthermore, POMs with increased stability and in vivo half-lives have to be prepared. Surface modification may allow the targeting of POM drugs at their sites of action.
Synchrotron tomographic study on the inhomogeneous compression of gas diffusion layers in fuel cells
(2013)
Ein neu entwickeltes thermoplastisches Polyurethan (TPU) ist alles andere als „vergesslich". Formteile aus dem Material lassen sich in einer temporären Form fixieren und wieder nahezu in ihre ursprüngliche Gestalt zurückverwandeln. Dieser Formgedächtniseffekt hat gute Anwendungschancen - vom Marken- und Produktschutz über den Maschinen- und Automobilbau, bis hin zur Freizeit- und Spielzeugindustrie.
A novel Gram-positive, aerobic, actinobacterial strain, CF6/1T, was isolated in 2007 during environmental screening of arid desert soil in the Sahara near to Ourba, Chad. The isolate was found to grow best in a temperature range of 20–37 °C and at pH 6.0–8.5 and showed no NaCl tolerance, forming black-coloured and nearly circular colonies on GYM agar. Chemotaxonomic and molecular characteristics determined for the isolate match those previously described for members of the genus Geodermatophilus. The DNA G + C content of the novel strain was determined to be 74.9 mol %. The peptidoglycan was found to contain meso-diaminopimelic acid as the diagnostic diamino acid. The main phospholipids were determined to be phosphatidylethanolamine, phosphatidylinositol, phosphatidylcholine, diphosphatidylglycerol and traces of phosphatidylglycerol; MK-9(H4) was identified as the dominant menaquinone and galactose as the diagnostic sugar. The major cellular fatty acids were found to be the branched-chain saturated acids iso-C16:0 and iso-C15:0, as well as C17:1ω8c. The 16S rRNA gene sequence shows 97.5–97.9 % sequence identity with the four validly named or at least effectively published members of the genus: Geodermatophilus obscurus (97.5 %), Geodermatophilus arenarius (97.7 %), Geodermatophilus ruber (97.9 %) and Geodermatophilus nigrescens (97.9 %). Based on the results from this polyphasic taxonomic analysis and DNA–DNA hybridizations with all type strains of the genus, we propose that strain CF6/1T represents a novel species, Geodermatophilus siccatus, with the type strain CF6/1T = DSM 45419T = CCUG 62765T = MTCC 11414T.
Ancient mariners knew that dust whipped up from deserts by strong winds travelled long distances, including over oceans. Satellite remote sensing revealed major dust sources across the Sahara. Indeed, the Bodélé Depression in the Republic of Chad has been called the dustiest place on earth. We analysed desert sand from various locations in Chad and dust that had blown to the Cape Verde Islands. High throughput sequencing techniques combined with classical microbiological methods showed that the samples contained a large variety of microbes well adapted to the harsh desert conditions. The most abundant bacterial groupings in four different phyla included: (a) Firmicutes—Bacillaceae, (b) Actinobacteria—Geodermatophilaceae, Nocardiodaceae and Solirubrobacteraceae, (c) Proteobacteria—Oxalobacteraceae, Rhizobiales and Sphingomonadaceae, and (d) Bacteroidetes—Cytophagaceae. Ascomycota was the overwhelmingly dominant fungal group followed by Basidiomycota and traces of Chytridiomycota, Microsporidia and Glomeromycota. Two freshwater algae (Trebouxiophyceae) were isolated. Most predominant taxa are widely distributed land inhabitants that are common in soil and on the surfaces of plants. Examples include Bradyrhizobium spp. that nodulate and fix nitrogen in Acacia species, the predominant trees of the Sahara as well as Herbaspirillum (Oxalobacteraceae), a group of chemoorganotrophic free-living soil inhabitants that fix nitrogen in association with Gramineae roots. Few pathogenic strains were found, suggesting that African dust is not a large threat to public health.
Analyse lokaler Verformungsfelder mittels DIC-Technik während der Heißrissbildung beim Schweißen
(2013)
Für die Gewährleistung der Bauteilsicherheit ist während des Fertigungsprozesses das Vermeiden von Imperfektionen maßgeblich. Zu diesen Imperfektionen zählen auch beim Schweißen auftretende Heißrisse, die insbesondere die Bauteileigenschaft beeinflussen und demzufolge ausgeschlossen werden müssen. Aufgrund der hohen Komplexität, hervorgerufen durch das Zusammenwirken zahlreicher Einflussgrößen, existieren überwiegend vereinfachte Werkstoffmodelle, die das Heißrissphänomen nur unzureichend beschreiben. Da bislang eine Charakterisierung dieser Heißrissentstehung überwiegend auf spannungs- und dehnungsbasierten Modellen erfolgt, wurde in diesem Fall speziell geprüft, in wie weit vereinfachend eine Quantifizierung des Heißrissverhaltens anhand von Verschiebungen bzw. Verschiebungsraten möglich ist. Die Tatsache, dass Heißrisse in Werkstoffen auftreten, die aus metallurgischer Sicht als heißrissunkritisch eingestuft werden können, zeigt, dass weitere Faktoren, wie der konstruktive Einfluss, betrachtet werden müssen. In der vorliegenden Arbeit wurde dieser Aspekt unter Nutzung des Controlled-Tensile- Weldability(CTW)-Tests untersucht. Hierfür wurde die Digital-Image-Correlation( DIC)-Technik erfolgreich zur In-situ-Analyse der lokalen Querverschiebungen dy und Querverschiebungsraten dy/dt in direkter Schmelzbadnähe während des Schweißens eingesetzt.-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
In order to guarantee the component safety, it is essential to avoid imperfections during the production process. These imperfections also include hot cracks which arise during welding, exert an influence on the component property in particular and must consequently be excluded. Due to the high complexity caused by the interaction of a large number of influencing variables, there are mostly simplified material models which describe the hot cracking phenomenon only insufficiently. Since this hot crack initiation has, until now, been characterised mostly on models based on stresses and strains, it was especially checked in this case the extent to which the hot cracking behaviour can be quantified using a simplifying method taking account of displacements and displacement rates. The fact that hot cracks occur in materials that, from the metallurgical point of view, cannot be classified as hot-crack-critical shows that further factors such as the influence of design need to be considered. This aspect was investigated in the present study by using the Controlled Tensile Weldability (CTW) test. For this, the Digital Image Correlation (DIC) technique was successfully applied for the in situ analysis of the local transverse displacements dy and transverse displacement rates dy/dt in the direct weld pool vicinity during welding.
Hydrogen Diffusion in Steel
(2013)
Adhesive and Bonding Strength - Comparative Study: Conventional Tests vs. Centrifuge Technology
(2013)
Various copolyesters of lactide, isosorbide, and terephthalic acid are prepared by a two-step process performed in a 'one-pot' procedure, beginning with an isosorbide-initiated oligomerization of L-lactide followed by polycondensation with terephthaloyl chloride using SnCl2 as a catalyst for both steps. The SEC data show the formation of random copolyesters with high polydispersities as a consequence of the relatively high fraction of cyclics proved by matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS). The glass-transition temperatures (89–180 °C) obey an almost linear trend with the molar composition. The thermostability decreases with increasing lactide content. The successful incorporation of phenyl phosphate results in copolyesters of lower inflammability.
Tribologie des céramiques
(2013)
Les ceramiques modernes sont differentes des ceramiques traditionnelles (carrelage, materiaux de construction, porcelaine); on les distingue par des adjectifs tels que « techniques », « industrielles » ou « thermomecaniques ». Les ceramiques industrielles sont caracterisees par leur caractere refractaire marque et de grandes duretes. Leur mediocre tenacite explique leur sensibilite ä la presence de defauts, d'oü leur reputation d'etre peu resistantes et cassantes.
Les ceramiques techniques sont utilisees pour:
• leurs proprietes electriques ou dielectriques;
• leurs proprietes magnetiques et de supraconducteurs ;
• leurs proprietes optiques;
• leurs proprietes chimiques;
• leurs proprietes biologiques;
• leurs proprietes nucleaires.
En outre, eiles sont employees pour leurs proprietes mecaniques, thermomecaniques et tribologiques, ainsi que pour leur tenue face ä la corrosion. Nous allons nous concentrer sur leur comportement tribologique.
During laser beam welding of aluminum alloys an electromagnetic field may favour pore outgassing through the top oxide layer. High frequencies cause a small penetration depth and thus exert a stabilizing effect on the weld surface. The point at which the laser beam between the two magnetic poles hits the workpiece surface is crucial to the influence of the magnetic field on the weld surface roughness. Using analyzed parameters for different laser points of application cause a change in weld surface roughness could be observed. The weld surface roughness could be reduced by 50%. The outgassing effect in terms of a reduction of pores could be observed for all parameter sets investigated.
Censorship of parts of written text was and is a common practice in totalitarian regimes. It is used to destroy information not approved by the political power. Recovering the censored text is of interest for historical studies of the text. This paper raises the question, whether a censored postcard from 1942 can be made legible by applying multispectral imaging in combination with laser cleaning. In the fields of art conservation (e.g. color measurements), investigation (e.g. Analysis of underdrawings in paintings), and historical document analysis, multispectral imaging techniques have been applied successfully to give visibility to information hidden to the human eye.
The basic principle of laser cleaning is to transfer laser pulse energy to a contamination layer by an absorption process that leads to heating and evaporation of the layer. Partial laser cleaning of postcards is possible; dirt on the surface can be removed and the obscured pictures and writings made visible again. We applied both techniques to the postcard. The text could not be restored since the original ink seems to have suffered severe chemical damage.
Dynamical studies on the generation of periodic surface structures by femtosecond laser pulses
(2013)
Deoxynivalenol (DON), nivalenol (NIV) and zearalenone (ZEN) are toxic secondary metabolites produced by several species of Fusarium fungi. These mycotoxins are often found together in a large variety of cereal-based foods, which are regulated by maximum content levels of DON and ZEN. To date, suitable certified reference materials (CRM) intended for quality control purposes are lacking for these Fusarium mycotoxins. In order to overcome this lack, the first CRM for the determination of DON, NIV and ZEN in naturally contaminated wheat flour (ERM®-BC600) was developed in the framework of a European Reference Materials (ERM®) project. This article describes and discusses the whole process of ERM®-BC600 development, including material preparation, homogeneity and stability studies, and an interlaboratory comparison study for certification. A total of 21 selected expert laboratories from different European countries with documented expertise in the field of mycotoxin analysis took part in the certification study using various gas and liquid chromatographic methods. The certified values and their corresponding expanded uncertainties (k=2) were assigned in full compliance with the requirements of ISO Guide 35 and are as follows: 102±11 µgkg-1 for DON, 1000±130 µgkg-1 for NIV and 90±8 µgkg-1 for ZEN.
The unusually fast crystallization of the organic compound nifedipine has been investigated in detail using different solutions as precursors for the formation of the initial glassy nifedipine films. Starting from these amorphous films the crystallization process was investigated by time-resolved light microscopy at different temperatures around Tg of nifedipine. In all studied cases (acetone, acetonitrile, ethyl acetate, dichloromethane, tetrahydrofuran) the measured mean crystallization rates are, on average, 10000 times higher than rates reported in previous studies. Such high rates cannot be explained by a classical diffusional crystal growth mechanism of nifedipine. Instead, nifedipine shows a strong propensity for diffusionless growth. Solvent assisted or solvent induced preordering of the glassy modification is suggested to be the most probable driving force behind these fast crystallization processes. The nifedipine crystallization rates can be controlled not only by specific solvent–molecule interactions but also by temperature. Below 40 °C, the temperature dependence of the rates is generally small. Above 40 °C, a slowing down of the crystallization rates with increasing temperatures indicates a kinetic competition between different polymorphs. The molecular dynamics of nifedipine molecules in the amorphous phase as well as the relaxation times are studied by dielectric measurements. The dielectric data corroborate the inherently strong propensity of nifedipine to crystallize diffusionlessly under all conditions.
Optical fibers made of fused silica are a common method of transmitting high laser pulse energies. Failure of those fibers is a significant risk. The determination of laser-induced damage thresholds (LIDT) on fiber end facets according to ISO 21254 standard is needed. In the past, single pulse nanosecond laser experiments showed an improvement of LIDT with increasing fiber core diameter for 1064 nm wavelength and a constant beam diameter of 50 µm.
This paper pays particular attention to the influence of the laser beam diameter on damage resistance. All-silica fiber types (LEONI) with different core diameters (100–600 µm) were investigated using beam diameters in a range from 30 µm to 100 µm. For comparison experiments on fused silica preform material (Heraeus F300) were performed. On one hand, surface LIDT of fused silica preform material decreases significantly with increasing beam size. A model considering a random distribution of point defects explains the experimental data qualitatively. On the other hand, LIDT of fiber end facets stays constant. White light microscopy results suggest that the point defect density on fiber end facets is lower compared to the preform surface due to an excellent surface polish quality.
Kulturelle Entomologie
(2013)