Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Laser-induced periodic surface structures (LIPSS, ripples) are a universal phenomenon and can be generated on almost any material upon irradiation with linearly polarized radiation. With the availability of ultrashort laser pulses, LIPSS have gained an increasing attraction during the past decade, since these structures can be generated in a simple single-step process, which allows a surface nanostructuring for tailoring optical, mechanical, and chemical surface properties. In this study, the current state in the field of LIPSS is reviewed. Their formation mechanisms are analyzed in ultrafast time-resolved scattering, diffraction, and polarization constrained double-pulse experiments. These experiments allow us to address the question whether the LIPSS are seeded via ultrafast energy deposition mechanisms acting during the absorption of optical radiation or via self-organization after the irradiation process. Relevant control parameters of LIPSS are identified, and technological applications featuring surface functionalization in the fields of optics, fluidics, medicine, and tribology are discussed.
Mechanochemistry is increasingly used as a ‘green alternative’ for synthesizing various materials including pharmaceutical cocrystals. Herein, we present the mechanochemical synthesis of three new cocrystals containing the API carbamazepine (cocrystals CBZ:Indometacin 1:1, CBZ:Benzamide 1:1, and CBZ:Nifedipine 1:1). The mechanochemical reaction was investigated in situ documenting a fast and complete reaction within one minute. Online NMR spectroscopy proved the direct influence of the dissolution behaviour of the coformers to the dissolution behaviour of the API carbamazepine. The dissolution behaviour of the organic cocrystals is compared to the behaviour of the pure drug indicating a general applicability of this approach for detailed cocrystal dissolution studies.
The residual stress distribution of tungsten inert gas welded S235JRC+C plates was determined by means of neutron diffraction(ND). Large longitudinal residual stresses with maxima around 600 MPa were found. With these results as reference, the evaluation of residual stress with high spatial resolution GMR (giant magneto resistance) sensors was discussed. The experiments performed indicate a correlation between changes in residual stresses (ND) and the normal component of local residual magnetic stray fields (GMR). Spatial variations in the magnetic field strength perpendicular to the welds are in the order of the magnetic field of the earth.
Neutron Bragg-edge imaging was applied for the visualization of a γ-Austenite to α'-martensite phase transformation. In the present study, a super martensitic
stainless steel sample was heated until complete austenitization and was subsequently cooled down to room temperature. The martensitic phase Transformation started at Ms = 190 °C. Using a monochromatic neutron beam with λ = 0.390 nm, the transmitted intensity was significantly reduced during cooling below Ms, since the emerging martensitic phase has a higher attenuation coefficient than the austenitic phase at this wavelength. The phase Transformation process was visualized by filming the transmission images from a scintillator screen with a CCD camera with a temporal resolution of 30 s and a spatial
resolution of 100 µm.
Der Vortrag gibt einen Überblick zu aktuellen Projekt- und Publikationsaktivitäten im BAM-Fachbereich 6.4 Technologien mit Nanowerkstoffen zum Thema “Laser-induzierte periodische Oberflächenstrukturen”. Die Herstellung solcher Mikro- und Nanostrukturen mittels ultrakurzer Laserpulse wird beschrieben, wodurch optische, chemische, mechanische oder biologische Oberflächenfunktionalsierungen vorgenommen werden können. Beispiele aus den Bereichen der Farbwirkung, der Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten und der Reibungs- und Verschleissminderung werden erläutert.
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS, ripples) are a universal phenomenon that can be observed on almost any material after the irradiation by linearly polarized laser beams, particularly when using ultrashort laser pulses with durations in the picosecond to femtosecond range. During the past few years significantly increasing research activities have been reported in the field of LIPSS, since their generation in a single-step process provides a simple way of nanostructuring and surface functionalization towards the control of optical, mechanical or chemical properties. In this contribution current applications of LIPSS are reviewed, including the colorization of technical surfaces, the control of surface wetting, the mimicry of the natural texture of animal integuments, the tailoring of surface colonization by bacterial biofilms, and the improvement of the tribological performance of nanostructured metal surfaces.
This article provides an impression on potentials in applying nowadays welding simulation tools in construction design. This is carried out exemplary on plate girders from two structural steel grades. The calculated residual stresses are compared with measurements by sectioning method. It has been repeatedly stated that present Eurocode models fail to approximate the residual stresses. Especially for high strength steel (HSS) only limited information is available on realistic occurring residual stresses in typical I-girders. The investigations are aimed to give further guidance on these values. A few proposals on advanced models are discussed.
A test campaign was launched to determine the mechanical properties of the High Luminosity-Large HadronCollider (HL-LHC) 11 T Nb3Sn magnet components. The results can be used to accurately represent the mechanical properties in finite elementmodels that predict the stress and strain distribution in these magnets. Particular attention is paid to anisotropic mechanical behavior of the different magnet materials. Static and dynamic test methods have been applied for determining elastic materials’ behavior, and highly accurate Young’s moduli are obtained with the nondestructive dynamic methods resonance and impulse excitation at ambient temperature and during in situ heat cycles.
Die im Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse zeigen konkrete technische Lösungen für die automatisierte Anwendung des MSG Engspaltschweißen, sowohl mittels optischer als auch prozessorientierter Sensorik, und sprechen damit ein breites Spektrum möglicher Anwender, insbesondere KMU, an.
Die Seitenführung des Brenners auf Basis der optischen Messgrößen stellt eine robuste und einfach zu implementierende Möglichkeit zur Nahtverfolgung dar. Für die Höhenführung über der Schweißnaht wurde neben der Lösung mittels optischer Messverfahren zusätzlich eine direkt darauf aufbauende Möglichkeit zur Implementierung eines Lichtbogensensors abgeleitet. Das Vorgehen konnte sowohl für Sprühlichtbogenprozesse als auch bei Verwendung von Impulslichtbogenprozessen erfolgreich angewendet werden.
Die zur Sicherstellung eines gleichmäßigen Flankeneinbrandes entwickelte Pendelregelung ist ebenfalls für unterschiedliche Lichtbogenarten einsetzbar und muss vom Anwender auch beim Einsatz einer großen Bandbreite unterschiedlicher Prozessparameter nahezu nicht konfiguriert werden. Neben der im Rahmen der Verfahrensprüfung untersuchten Pendelraupentechnik konnte die Übertragbarkeit des Vorgehens auch auf die Strichraupentechnik anhand von gezielten Schweißversuchen aufgezeigt werden.
Die zunächst auf Basis der optischen Messwerte ausgelegte Füllgradregelung konnte die vorgesehenen Spaltvariationen von 18 bis 24 mm im Rahmen der durchgeführten Verfahrensprüfung ausgleichen. Die Ableitung eines äquivalenten Lichtbogensensors durch Kopplung beider Messprinzipien wurde am Laufzeitende des Vorhabens aufgezeigt, konnte jedoch durch zeitliche Beschränkung nicht für die Verfahrensprüfung berücksichtigt werden.
In Absprache mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurde die Entwicklung der Prozessregelung für das Vorhaben auf Schweißungen in Wannenlage und Grundwerkstoffe der Güte S355J2 beschränkt.
Die Qualifizierung des Verfahrens unter Einsatz der beschriebenen Regelalgorithmen nach DIN EN ISO 15614-1 konnte für alle betrachteten Spaltbreiten zwischen 18 und 24 mm anhand einer 50 mm dicken Demonstratorprobe nachgewiesen werden.
3D imaging techniques are very fashionable nowadays, and allow enormous progress in understanding ceramic microstructure, its evolution, and its link to mechanical, thermal, and transport properties. In this feature article, we report the use of a powerful, yet not so wide-spread, set of X-ray techniques based on refraction effects. X-ray refraction allows determining internal specific surface (surface per unit volume) in a non-destructive fashion, position and orientation sensitive, and with a nanometric detectability. While the techniques are limited by the X-ray absorption of the material under investigation, we demonstrate showcases of ceramics and composite materials, where understanding of process parameter influence or simply of microstructural parameters could be achieved in a way unrivalled even by high-resolution techniques such as electron microscopy or computed tomography.