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Laser melting manufacturing of large elements of lunar regolith simulant for paving on the Moon
(2023)
The next steps for the expansion of the human presence in the solar system will be taken on the Moon. However, due to the low lunar gravity, the suspended dust generated when lunar rovers move across the lunar soil is a significant risk for lunar missions as it can affect the systems of the exploration vehicles. One solution to mitigate this problem is the construction of roads and landing pads on the Moon. In addition, to increase the sustainability of future lunar missions, in-situ resource utilization (ISRU) techniques must be developed. In this paper, the use of concentrated light for paving on the Moon by melting the lunar regolith is investigated. As a substitute of the concentrated sunlight, a high-power CO2 laser is used in the experiments. With this set-up, a maximum laser spot diameter of 100 mm can be achieved, which translates in high thicknesses of the consolidated layers. Furthermore, the lunar regolith simulant EAC-1A is used as a substitute of the actual lunar soil. At the end of the study, large samples (approximately 250 × 250 mm) with interlocking capabilities were fabricated by melting the lunar simulant with the laser directly on the powder bed. Large areas of lunar soil can be covered with these samples and serve as roads and landing pads, decreasing the propagation of lunar dust. These manufactured samples were analysed regarding their ineralogical composition, internal structure and mechanical properties.
Das thermografische Nachweisprinzip beruht auf der Analyse von instationären Temperaturverteilungen, welche durch die Wechselwirkung eines von außen zugeführten Wärmestroms mit der inneren Geometrie des Prüfobjekts oder mit darin eingeschlossenen Inhomogenitäten verursacht werden. Eine äquivalente Beschreibung dieses wechselwirkenden Wärmestroms ist die Ausbreitung von Wärmewellen im Inneren des Prüfobjekts. Obwohl die Thermografie für die Erkennung einer Vielzahl von Inhomogenitäten und für die Prüfung verschiedenster Materialien geeignet ist, besteht die grundlegende Einschränkung in der diffusen Natur der Wärmewellen und der Notwendigkeit, ihre Wirkung nur an der Prüfobjektoberfläche radiometrisch messen zu können. Der fundamentale Nachteil von diffusen Wärmewellen gegenüber propagierenden Wellen, wie sie z. B. im Ultraschall vorkommen, ist die dadurch verursachte schnelle Verschlechterung der räumlichen Auflösung mit zunehmender Defekttiefe. Diese Verschlechterung schränkt in der Regel die Anwendbarkeit der Thermografie bei der Suche nach kleinen tiefliegenden Defekten ein.
Ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der räumlichen Auflösung und damit der Erkennungsempfindlichkeit und der Rekonstruktionsqualität in der thermografischen Prüfung liegt in der speziellen Formung dieser diffusen Wärmewellenfelder mittels strukturierter Laserthermografie bzw. photothermischer Anregung. Einige Beispiele sind:
- Schmale rissartige Defekte unterhalb der Oberfläche können durch Überlagerung mehrerer interferierender Wärmewellenfelder mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden,
- Nahe beieinander liegende Defekte können durch mehrere Messungen mit unterschiedlichen Heizstrukturen getrennt werden,
- Defekte in unterschiedlichen Tiefen können durch eine optimierte zeitliche Gestaltung der thermischen Anregungsfunktion unterschieden werden,
- Schmale Risse auf der Oberfläche können durch robotergestütztes Scannen mit fokussierten Laserspots gefunden werden,
- Defekte, die während der additiven Fertigung auftreten, können bereits im Bauraum und mit dem Fertigungslaser detektiert werden.
Wir präsentieren die neuesten Ergebnisse dieser Technologie, die mit Hochleistungslasersystemen und modernen numerischen Methoden erzielt wurden.
Learned block iterative shrinkage thresholding algorithm for photothermal super resolution imaging
(2022)
Block-sparse regularization is already well known in active thermal imaging and is used for multiple-measurement-based inverse problems. The main bottleneck of this method is the choice of regularization parameters which differs for each experiment. We show the benefits of using a learned block iterative shrinkage thresholding algorithm (LBISTA) that is able to learn the choice of regularization parameters, without the need to manually select them. In addition, LBISTA enables the determination of a suitable weight matrix to solve the underlying inverse problem. Therefore, in this paper we present LBISTA and compare it with state-of-the-art block iterative shrinkage thresholding using synthetically generated and experimental test data from active thermography for defect reconstruction. Our results show that the use of the learned block-sparse optimization approach provides smaller normalized mean square errors for a small fixed number of iterations. Thus, this allows us to improve the convergence speed and only needs a few iterations to generate accurate defect reconstruction in photothermal super-resolution imaging.
Directed energy deposition is a metal additive manufacturing process that builds parts by joining material in a layer-by-layer fashion on a substrate. Those parts are exposed to rapid thermo-cycles which cause steep stress gradients and the layer-upon-layer manufacturing fosters an anisotropic microstructure, therefore stress relief heat treatment is necessary. The numerical simulation can be used to find suitable parameters for the heat treatment and to reduce the necessary efforts to perform an effective stress relieving. Suitable validation Experiments are necessary to verify the results of the numerical simulation.
In this paper, a 3D coupled thermo-mechanical model is used to simulate the heat treatment of an additive manufactured component to investigate the application of a C-ring geometry for the distortion-based validation of the numerical simulation.
Therefore, the C-ring samples were 3D scanned using a structured light 3D scanner to quantify the distortion after each process step.
Irradiation with a single spatially Gaussian-shaped nanosecond laser pulse in the melting regime can result in a characteristic annular change in the surface morphology of crystalline silicon. This has been verified experimentally in a variety of situations, where dimple-shaped surface topographies are produced. In a recent work we have investigated the induced changes in the surface topography upon exposure to wavelengths in the visible and near infrared spectral region. Irradiation in the UV requires a more detailed analysis due to the enhanced absorption of the material. In the present analysis, we determine under which conditions our previous model can be used and the corresponding results are presented.
The separation of two closely spaced defects in fields of Thermographic NDE is very challenging. The diffusive nature of thermal waves leads to a fundamental limitation in spatial resolution. Therefore, super resolution image reconstruction can be used. A new concerted ansatz based on spatially structured heating and joint sparsity of the signal ensemble allows for an improved reconstruction of closely spaced defects. This new technique has been studied using a 1D laser array with randomly chosen illumination pattern.
This paper presents the results after applying super resolution algorithms, such as the iterative joint sparsity (IJOSP) algorithm, to our processed measurement data. Different data processing techniques before applying the IJOSP algorithm as well as the influence of regularization parameters in the data processing techniques are discussed. Moreover, the degradation of super resolution reconstruction goodness by the choice of experimental parameters such as laser line width or number of measurements is shown.
The application of the super resolution results in a spatial resolution enhancement of approximately a factor of four which leads to a better separation of two closely spaced defects.
Das Plasma-Pulver-Auftragschweißen ist ein Verfahren, dass hohe Auftragraten ermöglicht, jedoch auch eine erhöhte thermische Belastung des Bauteiles verursacht. Laser-Pulver- Auftragschweißen hingegen erreicht eine hohe Präzision und eine geringe Aufmischung, erfordert jedoch ein kostspieliges Hochleistungslasersystem und erreicht im Vergleich nur geringe Auftragraten, was zu hohen Verarbeitungskosten führt. Eine Kopplung von Laser- und Lichtbogenenergie in einer gemeinsamen Prozesszone zielt darauf ab, die jeweiligen Vorteile beider Technologien zu nutzen. Dies betrifft insbesondere die Effizienz der Wärmeausnutzung und der Nutzung des Zusatzwerkstoffs.
Es wird ein Plasma-Laser-Hybrid-Prozess als Highspeed-Plasma-Laser-Cladding-Technologie (HPLC) für Beschichtungs- sowie Instandsetzungszwecke vorgestellt. Gezeigt werden Ergebnisse mit Prozessgeschwindigkeiten von 10 m/min bei Laserleistungen von 2 kW, dabei können Flächenraten von mehr als 1 m2/h erreicht werden. Effiziente Beschichtungen von großen Flächen, beispielsweise auf rotationssymmetrischen Bauteilen stellen ein relevantes Anwendungsfeld für diesen Technologieansatz dar. Die Nickelbasislegierung Inconel 625 wird als Korrosionsschutzwerkstoff eingesetzt. Im Rahmen der Verfahrensprüfung werden die hergestellten Beschichtungen einer EDX Messung unterzogen.
Prozesscharakteristische Kenngrößen wie z.B. die Auftragrate werden vorgestellt und vor dem Hintergrund wirtschaftlicher Kennzahlen diskutiert. Zusätzlich werden die Aufmischung, Spurgeometrie und Wärmeeinflusszone der Spuren und Schichten ausgewertet. Im Vergleich zum Laser-Pulver-Auftragschweißen werden Spuren bei hohen Prozessgeschwindigkeiten mit einer hohen Auftragrate erzeugt.
Das Plasma-Pulver-Auftragschweißen ist ein Verfahren, dass hohe Auftragraten ermöglicht, jedoch auch eine erhöhte thermische Belastung des Bauteiles verursacht. Laser-Pulver-Auftragschweißen hingegen erreicht eine hohe Präzision und eine geringe Aufmischung, erfordert jedoch ein kostspieliges Hochleistungslasersystem und erreicht im Vergleich nur geringe Auftragraten, was zu hohen Verarbeitungskosten führt. Eine Kopplung von Laser- und Lichtbogenenergie in einer gemeinsamen Prozesszone zielt darauf ab, die jeweiligen Vorteile beider Technologien zu nutzen. Dies betrifft insbesondere die Effizienz der Wärmeausnutzung und der Nutzung des Zusatzwerkstoffs.
Es wird ein Plasma-Laser-Hybrid-Prozess als Highspeed-Plasma-Laser-Cladding-Technologie (HPLC) für Beschichtungs- sowie Instandsetzungszwecke vorgestellt. Gezeigt werden Ergebnisse mit Prozessgeschwindigkeiten von 10 m/min bei Laserleistungen von 2 kW, dabei können Flächenraten von mehr als 1 m2/h erreicht werden. Effiziente Beschichtungen von großen Flächen, beispielsweise auf rotationssymmetrischen Bauteilen stellen ein relevantes Anwendungsfeld für diesen Technologieansatz dar. Die Nickelbasislegierung Inconel 625 wird als Korrosionsschutzwerkstoff eingesetzt. Im Rahmen der Verfahrensprüfung werden die hergestellten Beschichtungen einer EDX Messung unterzogen.
Prozesscharakteristische Kenngrößen wie z.B. die Auftragrate werden vorgestellt und vor dem Hintergrund wirtschaftlicher Kennzahlen diskutiert. Zusätzlich werden die Aufmischung, Spurgeometrie und Wärmeeinflusszone der Spuren und Schichten ausgewertet. Im Vergleich zum Laser-Pulver-Auftragschweißen werden Spuren bei hohen Prozessgeschwindigkeiten mit einer hohen Auftragrate erzeugt.
An airborne high repetition rate laser-induced plasma was applied as a versatile ambient ionization source for mass-spectrometric determinations of polar and nonpolar analytes in solution. The laser plasma was sustained between a home-built pneumatic nebulizer and the inlet capillary of an Orbitrap mass spectrometer. To maintain stable conditions in the droplet-rich spray environment, the plasma was directly fed by the fundamental output (λ = 1064 nm) of a current state-of-the-art diode-pumped solid-state laser. Ionization by the laser-driven plasma resulted in signals of intact analyte ions of several chemical categories. The analyte ions were found to be fully desolvated since no further increase in ion signal was observed upon heating of the inlet capillary. Due to the electroneutrality of the plasma, both positive and negative analyte ions could be formed simultaneously without altering the operational parameters of the ion source. While, typically, polar analytes with pronounced gas phase basicities worked best, nonpolar and amphoteric compounds were also detected. The latter were detected with lower ion signals and were prone to a certain degree of fragmentation induced during the ionization process. All the described attests the laser-induced microplasma by a good performance in terms of stability, robustness, sensitivity, and general applicability as a self-contained ion source for the liquid sample introduction.
Acoustic levitators generate acoustic standing waves between a transducer and a concave reflector. These acoustic waves are separated by multiple integer numbers of half wavelengths. Thus, acoustic levitation is the effect that a small volume (5 nL-10 μL) of sample can be levitated in a contact-free manner. Until now, levitation in analytical chemistry has primarily been associated with optical techniques such as Raman, X-Ray or UV/Vis spectroscopy. Less common applications are combinations of acoustic levitation with mass spectrometry. One reason for this being that the acoustic field surrounding the droplet effectively shields the sample, thus making it inaccessible to most ambient ionization techniques. Any effective investigation of acoustically-levitated droplets therefore requires the physical removal of some of the sample from the confine region of the acoustic trap before analysis.