Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Electron backscatter diffraction (EBSD) is a technique to obtain microcrystallographic information from materials by collecting large-angle Kikuchi patterns in the scanning electron microscope (SEM). An important fundamental question concerns the scattering-angle dependent electron energy distribution, which is relevant for the formation of the Kikuchi diffraction patterns. Here we review the existing experimental data and explore the effective energy spectrum that is operative in the generation of backscatter Kikuchi patterns from silicon. We use a full pattern comparison of experimental data with dynamical electron diffraction simulations. Our energy-dependent cross-correlation based pattern matching approach establishes improved constraints on the effective Kikuchi pattern energy spectrum, which is relevant for high-resolution EBSD pattern simulations and their applications.
Effect of Inter-Layer Dwell Time on Distortion and Residual Stresses of Laser Metal Deposited Wall
(2019)
The laser metal deposition is an advanced manufacturing technology enabling the production of large-sized parts and partially or completely elimination of machining and welding. The process is characterised by non-uniform local heating of the buildup leading to a stress distribution, which may exceed the yield strength of the material and leads to loss of dimensional accuracy. The interlayer dwell time has a strong influence on the temperature field. The effect of the interlayer dwell time on the distortion and the stress distribution during laser metal deposition of a single-pass wall on the edge of 2 mm thick plate was studied experimentally and numerically. The deposited material was IN625 and the substrate material was AISI 316. A decrease of the residual displacement, due to a uniform shrinkage after the deposition of the last layer and a lower level of the residual compressive longitudinal plastic strain, has been observed in the studies without dwell time. The peak increment of the free edge displacement corresponds to the first layer and hence the subsequent layers will be deposited on the already plastically deformed buildup. The tensile residual longitudinal stress near the top of the buildup and transverse stress near the edges of the buildup is higher than yield strength in the studies with dwell time.
Die Entstehung von Erstarrungsrissen stellt ein in der Schweißtechnik lange bekanntes Problem dar. Diese prozessseitige Herausforderung ist selbst nach dem heutigen Wissenstand schwer zu beherrschen und gefährdet die Sicherheit der gefügten Bauteile. Dieses Problem erweist sich als besonders schwierig beim einlagigen Hochleistungslaserstrahlschweißen von Metallteilen hoher Blechstärke, welche eine essentielle Rolle in vielerlei industriellen Anwendungen spielen.
Gegenstand des hier bearbeiteten Forschungsprojekts war die numerische Untersuchung der Entstehungsmechanismen des Mittelrippendefekts beim Laserstrahlschweißen niedriglegierter Stähle. Mittels mehrerer gekoppelter Simulationen, für welche sowohl kommerziellen Softwares, wie COMSOL Multiphysics und ANSYS, als auch in-house entwickelte Programme eingesetzt worden sind, wurden die am stärksten ausgeprägten Mechanismen der Erstarrungsrissbildung und deren Zusammenspiel aufgeklärt. Begleitend zur Simulation wurden mehrere experimentelle Untersuchungen für den niedriglegierten Baustahl S355 an den Blechdicken 12 mm und 15 mm zu deren Validierung durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulation des Kristallwachstums, der Diffusion und der Makroseigerung von Schwefel zeigen, dass die Risse für bestimmte Werkstoffe mit einer hohen Konzentration an Verunreinigungen
hauptsächlich metallurgisch bedingt entstehen können. Allerdings zeigte die Untersuchung des Einflusses der Ausbauchung (Bulging) im Mittenbereich der Schweißnaht auf das transiente Temperaturfeld und die transienten Transversalspannungen im risskritischen Bereich auch, dass die Rissbildung nicht nur metallurgisch bedingt und insbesondere auch für aus metallurgischer Sicht eigentlich rissunkritische Materialien auftreten kann.
Der Bulging-Bereich hat sich in der Untersuchung als besonders kritisch in allen Teilen der Simulationskette gezeigt. Die Einflüsse dieser geometrischen Besonderheit konnten bei allen physikalischen Teilaspekten der Problematik als heißrissinduzierend identifiziert werden. Von besonderer Bedeutung wird an dieser Stelle das erkannte Zusammenspiel dieser Einflüsse hervorgehoben. Bisher wurde die Bildung der Erstarrungsrisse hauptsächlich durch einen einzelnen physikalischen Aspekt, wie z.B. rein metallurgisch oder rein thermomechanisch bedingt, isoliert betrachtet. Die gewonnen Erkenntnisse über die Einflüsse des Bulgings auf die unterschiedlichen Teilaspekte zeigen deutlich, dass alle Entstehungsmechanismen auch die Schmelzbadgeometrie als Ursprung haben. Von dieser hängen die transienten Temperatur- und Spannungsfelder, die Kristallwachsrichtung, die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Konzentration von Verunreinigungen, welche zur Entstehung von niedrigschmelzenden Phasen führt, ab.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind vielfach in referierten Zeitschriften und auf Fachtagungen veröffentlicht worden. Hervorzuheben dabei ist der „Best Presentation Award“ auf der LANE Conference 2018 in Fürth, wodurch die Thematik einem breiten Publikum bekannt gemacht werden konnte.
Dose enhancement by gold nanoparticles (AuNP) was shown to increase the biological effectiveness of radiation damage in biomolecules and tissue. Most of the current studies focus on external beam therapy on combination with AuNP. Here we present a Monte-Carlo study (Geant4) to characterise radioactive AuNP. Radioactive 198 Au emits beta and gamma rays and is considered for applications with solid tumours. To effectively apply 198 AuNP their energy deposit characteristics have to be determined in terms of intrinsic and extrinsic properties e.g. AuNP diameter, AuNP density, and their clustering behaviour. After each decay process, the energy deposit, inelastic scattering events, kinetic energy spectrum of secondary particles within the AuNP themselves and in a spherical target volume of water up to 1 μm radius were determined. Simulations were performed for AuNP radii ranging from 2.5 nm to 20 nm radius, different cluster sizes and densities. The results show an increase of the energy deposit in the vicinity of the AuNP up to 150 nm. This effect nearly vanishes for distances up to one micron. For the case of AuNP clusters and the same activity, the enhancement of the energy deposit increases with the relative gold mass percentage and therefore can be adjusted by changing AuNP radius or clustering behaviour.
Dose enhancement by gold nanoparticles (AuNP) was shown to increase the biological effectiveness of radiation damage in biomolecules and tissue. Most of the current studies focus on external beam therapy on combination with AuNP. Here we present a Monte-Carlo study (Geant4) to characterise radioactive AuNP. Radioactive ¹⁹⁸Au emits beta and gamma rays and is considered for applications with solid tumours. To effectively apply ¹⁹⁸AuNP their energy deposit characteristics have to be determined in terms of intrinsic and extrinsic properties e.g. AuNP diameter, AuNP density, and their clustering behaviour. After each decay process, the energy deposit, inelastic scattering events, kinetic energy spectrum of secondary particles within the AuNP themselves and in a spherical target volume of water up to 1 μm radius were determined. Simulations were performed for AuNP radii ranging from 2.5 nm to 20 nm radius, different cluster sizes and densities. The results show an increase of the energy deposit in the vicinity of the AuNP up to 150 nm. This effect nearly vanishes for distances up to one micron. For the case of AuNP clusters and the same activity, the enhancement of the energy deposit increases with the relative gold mass percentage and therefore can be adjusted by changing AuNP radius or clustering behaviour.
Simulational tools are applied to investigate the physical properties of nanoparticles.
For the description of radioactive gold nanoparticles, particles scattering simulations are performed with the Geant4 monte carlo simulation toolkit.
The temperature dependent behaviour of the magnetization dynamics of different magnetic nanoparticles are simulated with the object oriented micormagnetic framework (OOMMF).
The movement of the macroscopic magnetic moment in ferromagnetic systems can be described by the Landau-Lifshitz (LL) or Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation. These equations are strictly valid only at absolute zero temperature. To include temperature effects a stochastic version of the LL or LLG equation for a spin density of one per unit cell can be used instead. To apply the stochastic LL to micromagnetic simulations, where the spin density per unit cell is generally higher, a conversion regarding simulation cell size and temperature has to be established. Based on energetic considerations, a conversion for ferromagnetic bulk and thin film systems is proposed. The conversion is tested in micromagnetic simulations which are performed with the Object Oriented Micromagnetic Framework (OOMMF). The Curie temperatures of bulk Nickel, Cobalt and Iron systems as well as Nickel thin-film systems with thicknesses between 6.3 mono layer (ML) and 31ML are determined from micromagnetic simulations. The results show a good agreement with experimentally determined Curie temperatures of bulk and thin film systems when temperature scaling is performed according to the presented model.
Virtual CT acquisition and reconstruction of complex and noisy scanning trajectories in aRTist
(2019)
In modern CT imaging, simulation has become an important tool to minimize cost- and time-intensive measurements. It is increasingly used to optimize techniques for complex applications, to support the preparation of written procedures, and for educational purposes. We extended the CT simulation software ‘aRTist’ with a module to set-up arbitrary trajectories including disturbing influences during the scan. Moreover, such geometric deviations can be compensated by the internal reconstruction tool.