Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Enhanced photon upconversion using erbium-doped nanoparticles interacting with silicon metasurfaces
(2021)
Photon upconversion (UC) using trivalent erbium (Er+3) doped crystals is a promising concept to harness near infrared photons of the solar spectrum which cannot be directly absorbed by silicon solar cells. However, their UC efficiency at low-intensity 1 sun illumination is not relevant on device level so far. Exploiting giant near-field enhancement effects on metasurfaces is an appealing approach to enable efficient UC at low irradiance conditions. Here, we report on more than 1000-fold enhanced photon UC of NaYF4:Er+3 nanoparticles interacting with the near-fields supported by a silicon metasurface under 1550 nm excitation.
Supramolecular copolymerization driven by integrative self-sorting of hydrogen-bonded rosettes
(2020)
Molecular recognition to preorganize noncovalently polymerizable supramolecular complexes is a characteristic process of natural supramolecular polymers, and such recognition processes allow for dynamic self-alteration, yielding complex polymer systems with extraordinarily high efficiency in their targeted function. We herein show an example of such molecular recognition-controlled kinetic assembly/disassembly processes within artificial supramolecular polymer systems using six-membered hydrogen-bonded supramolecular complexes (rosettes). Electron-rich and poor monomers are prepared that kinetically coassemble through a temperature-controlled protocol into amorphous coaggregates comprising a diverse mixture of rosettes. Over days, the electrostatic interaction between two monomers induces an integrative self-sorting of rosettes. While the electron-rich monomer inherently forms toroidal homopolymers, the additional electrostatic interaction that can also guide rosette association allows helicoidal growth of supramolecular copolymers that are comprised of an alternating array of two monomers. Upon heating, the helicoidal copolymers undergo a catastrophic transition into amorphous coaggregates via entropy-driven randomization of the monomers in the rosette.
Ein neuartiger Modellierungsansatz für die Berechnung des transienten Temperaturfeldes beim Laserstrahlschweißen mit einer äquivalenten Wärmequelle wurde vorgestellt. Das numerische Modell wurde in zwei Studien unterteilt. Im ersten Teil wurde der Laserstrahlschweißprozess in einer stationären Schmelzbadsimulation untersucht. Die lokale Schmelzbadgeometrie und das Temperaturfeld wurden unter Berücksichtigung der Effekte der thermokapillaren und freien Konvektion, der latenten Wärme und der temperaturabhängigen Materialeigenschaften bis hin zur Verdampfungstemperatur ermittelt. Die Ergebnisse wurden benutzt, um eine äquivalente volumetrische Wärmequelle zu definieren. In der folgenden Studie wurde damit das transiente Temperaturfeld im geschweißten Bauteil berechnet. Die numerischen Ergebnisse wurden durch parallel laufende Experimente validiert.
High-power laser beam welding became new stimuli within the last 10 years due to the availability of a new generation of high brightness multi kilowatt solid state lasers. In the welding research new approaches have been developed to establish reliable and praxis oriented welding processes meeting the demands of modern industrial applications during this time. The paper focuses on some of the current scientific and technological aspects in this research field like hybrid laser arc welding, simulation techniques, utilization of electromagnetic fields or reduced pressure environment for laser beam welding processes, which contributed to the further development of this technology or will play a crucial role in its further industrial implementation.
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.
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.
During resistance spot welding of zinc-coated advanced high-strength steels (AHSSs) for automotive production, liquid metal embrittlement (LME) cracking may occur in the event of a combination of various unfavorable influences. In this study, the interactions of different welding current levels and weld times on the tendency for LME cracking in third-generation AHSSs were investigated. LME manifested itself as high penetration cracks around the circumference of the spot welds for welding currents closely below the expulsion limit. At the same time, the observed tendency for LME cracking showed no direct correlation with the overall heat input of the investigated welding processes. To identify a reliable indicator of the tendency for LME cracking, the local strain rate at the origin of the observed cracks was analyzed over the course of the welding process via finite element simulation. While the local strain rate showed a good correlation with the process-specific LME cracking tendency, it was difficult to interpret due to its discontinuous course. Therefore, based on the experimental measurement of electrode displacement during welding, electrode indentation velocity was proposed as a descriptive indicator for quantifying cracking tendency.
Liquid metal embrittlement (LME) cracking can occur during resistance spot welding (RSW) in zinc-coated advanced high-strength steels (AHSS) for automotive production. In this study, a methodological variation of hold time is performed to investigate the process-related crack influence factors. A combination of numerical and experimental investigations confirms, that the extent of heat dissipation and re-heating of the sheet surface can be influenced and thus the degree of crack formation can be controlled in a targeted manner by the parameterisation of the hold time. The temperature and stress history of crack-free and crack-afflicted spot welds are analysed and a conclusion on the borders defining the LME active region is derived.
Additive manufacturing (AM) offers significantly greater freedom of design compared to conventional manufacturing processes since the final parts are built layer by layer. This enables metal AM, also known as metal 3D printing, to be utilized for improving efficiency and functionality, for the production of parts with very complex geometries, and rapid prototyping. However, despite many technological advancements made in recent years, several challenges hinder the mass adoption of metal AM. One of these challenges is mechanical anisotropy which describes the dependency of material properties on the material orientation. Therefore, in this work, stainless steel 316L parts produced by laser-based powder bed fusion are used to isolate and understand the root cause of anisotropy in AM parts. Furthermore, an efficient and accurate multiscale numerical framework is presented for predicting the deformation behavior of actual AM parts on the macroscale undergoing large plastic deformations. Finally, a novel constitutive model for the plastic spin is formulated to capture the influence of the microstructure evolution on the material behavior on the macroscale.
A versatile software package in the form of a Python extension, named CDEF (computing Debye’s scattering formula for extraordinary form factors), is proposed to calculate approximate scattering profiles of arbitrarily shaped nanoparticles for small-angle X-ray scattering (SAXS). CDEF generates a quasi-randomly distributed point cloud in the desired particle shape and then applies the open-source software DEBYER for efficient evaluation of Debye’s scattering formula to calculate the SAXS pattern (https://github.com/j-from-b/CDEF). If self-correlation of the scattering signal is not omitted, the quasi-random distribution provides faster convergence compared with a true-random distribution of the scatterers, especially at higher momentum transfer. The usage of the software is demonstrated for the evaluation of scattering data of Au nanocubes with rounded edges, which were measured at the four-crystal monochromator beamline of PTB at the synchrotron radiation facility BESSY II in Berlin. The implementation is fast enough to run on a single desktop computer and perform model fits within minutes. The accuracy of the method was analyzed by comparison with analytically known form factors and verified with another implementation, the SPONGE, based on a similar principle with fewer approximations. Additionally, the SPONGE coupled to McSAS3 allows one to retrieve information on the uncertainty of the size distribution using a Monte Carlo uncertainty estimation algorithm.