Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Der Vortrag gibt einen Überblick über die vielfältigen Möglichkeiten der Oberflächenfunktionalisierung mittels Mikro- und Nanostrukturierung durch Ultrakurzpuls-Lasermaterialbeabeitung. Dies schließt eine Diskussion des Phänomens der Laser-induzierten periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS, engl.: Laser-induced Periodic Surface Structures, Ripples), sowie deren Klassifikation und Bildungsmechanismen mit ein. Ein Schwerpunkt der Präsentation liegt auf der Diskussion verschiedener Anwendungsmöglichkeiten der LIPSS in Bereichen der Optik, Fluidik, Tribologie und Medizin, sowie auf einem Ausblick auf die industrielle Skalierbarkeit der LIPSS-Technologie.
A corrosion study is performed on six variations of titanium grade 5 (Ti6Al4V) samples. Samples are prepared in different conditions by variation of preanodization, postanodization, and picosecond-laser (ps-laser) surface treatment, while polished and anodized samples serve as reference. Microcones and nanosized periodic surface features are successfully produced on Ti6Al4V samples. The morphology and topography of the structures are visualized by scanning electron microscopy and white light interference microscopy. Furthermore, the relative electrochemically active surface area (ECSA) is determined for the ps-laser-treated samples. It is determined that the preanodized and laser-treated sample has 3.5 times larger ECSA than a polished sample, and that the laser-treated sample has 4.1 times larger area. Moreover, Tafel analysis is performed to determine the corrosion properties of the samples. It is shown that the corrosion resistance improves for both laser-structured samples after the anodization. To further study the surface of the samples, electrochemical impedance spectroscopy measurements are conducted. The study indicates that the ps-laser-treated and anodized Ti6Al4V is suitable to be used for the fabrication of bone screws and plates due to its improved corrosion resistance as compared to nonanodized samples.
Bakterielle Biofilme stellen in medizinischen und industriellen Bereichen ein ernsthaftes Problem dar. Eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen liegt in der zunehmenden Resistenz von Bakterien gegen Biozide, die bei antimikrobiellen Behandlungen eingesetzt werden, z.B. durch übermäßigen Einsatz in Medizin, Industrie und Landwirtschaft oder durch Reinigung und Desinfektion in Privathaushalten. Daher sind neue effiziente bakterienabweisende Strategien, die den Einsatz von Bioziden vermeiden, dringend erforderlich.
Ein vielversprechender Weg zur Erzielung bakterienabweisender Oberflächen liegt in der berührungslosen und aseptischen großflächigen Laserbearbeitung von technischen Oberflächen. Maßgeschneiderte Oberflächentexturen, ermöglicht durch verschiedene Laserbearbeitungsstrategien, die zu topographischen Skalen im Bereich von Nanometern bis Mikrometern führen, können eine Lösung für diese Herausforderung darstellen.
In dem Vortrag wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik bei der subtraktiven Texturierung von Laseroberflächen zur Kontrolle der Biofilmbildung bei verschiedenen Bakterienstämmen und in unterschiedlichen Umgebungen gegeben. Auf der Grundlage spezifischer Eigenschaften von Bakterien und laserbearbeiteten Oberflächen werden die Herausforderungen antimikrobieller Oberflächendesigns erörtert und zukünftige Richtungen aufgezeigt.
Der Vortrag gibt einen Überblick über die Erzeugung und Charakterisierung anisotroper Nanostrukturen mittels ultrakurzgepulster Laserstrahlung. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Phänomen der sogenannten Laser-induzierten periodischen Oberflächen-Nanostrukturen auf dielektrischen Werkstoffen und ihrer zeitlichen Dynamik. Weitere Beispiele von Volumen-Nanostrukturen aus der Literatur werden diskutiert.
Der Vortrag gibt einen Überblick zu ultrakurzen Laserpulsen, der Ultrakurzpulslaser-Materialbearbeitung und der dabei ggf. auftretenden unerwünschten Röntgenstrahlung. Es wird die Laserbearbeitung von technischen und biologischen Materialien diskutiert. Schutzmöglichkeiten gegenüber der Röntgenstrahlung werden erörtert.
Die Laserbearbeitung von Materialien mit ultrakurzen Laserpulsen kann zu einer sekundären Emission gefährlicher Röntgenstrahlen führen. Dieser Effekt wurde bisher bei der Bearbeitung von technischen Materialien wie Metallen beobachtet. Die Röntgenemission bei der abtragenden Bearbeitung von biologischen Geweben ist noch weitgehend unerforscht. Der Vortrag präsentiert erste Untersuchungen und Ergebnisse des radiologischen Gefährdungspotentials bei der medizinischen Anwendung von Ultrakurzpulslasern am Menschen.
Advances in ultrafast laser manufacturing: nanostructures, thin films, and scaling perspectives
(2024)
Advanced ultrafast laser technology is a rapidly growing field that currently enables many new industrial and scientific applications. During the last decades, this has been significantly driven by the availability of high-repetition-rate laser sources and novel beam delivery concepts. At the laser side, Moore’s law equally manifests for ultrafast laser technologies, since the average output power of such lasers doubles approximately every two years. This development is mainly driven by the increase of the pulse repetition rates of energetic laser pulses, currently enforcing the development of smart beam control and novel scanning strategies for preventing heat-accumulation and plasma-shielding effects during laser-based materials processing. This keynote presentation addresses the advantages, recent developments, and perspectives of laser processing with ultrashort laser pulses. A special focus is laid on the tailored structuring of thin films as well as the manufacturing and probing of sub-diffraction surface nanostructures – an ongoing race to extreme scales. Current limitations are identified and an outlook to future scaling perspectives will be provided.
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) enable a large variety of different surface functionalizations for applications in the fields of optics, fluidics, tribology, or medicine. Moreover, high spatial frequency LIPSS (HSFL) provide an appealing and straightforward way for the generation of surface nanostructures featuring spatial periods even below 100 nm – far beyond the optical diffraction limit. However, the imposed surface functionalities are usually caused by both, topographic and chemical surface alterations. For exploring these effects in detail, multi-method characterization was performed here for HSFL processed on Ti-6Al-4V alloy upon irradiation with near-infrared ps-laser pulses (1030 nm wavelength, ~1 ps pulse duration, 1 – 400 kHz pulse repetition rate) under different scan processing conditions. The subsequent sample characterization involved morphological and topographical investigations by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), stylus profilometry (SP), as well as near-surface chemical analyses by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) and depth-profiling time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). The results allow to qualify the laser ablation depth, the geometrical HSFL characteristics and provide detailed insights into the depth extent and the nature of the ps-laser-induced near-surface oxidation arising from the laser-processing in ambient air and into the relevance of heat-accumulation effects at high pulse repetition rates. Moreover, the direct comparison of the HAXPES and XPS data reveals the role of surface-covering organic contaminants adsorbed from the ambient atmosphere without ion-sputter depth profiling. Furthermore, reduction of the oxides by sputtering can be avoided.
The presentation gives an overview of BAM's activities on processing influences and application properties of MPEAs in the form of joined and machined high and medium entropy alloys (CoCrFeMnNi and CoCrNi). In the case of welding, the focus is on defect-free welded joints with sufficient mechanical properties. In the case of machining, the focus is on the possible influence on the surface quality of the materials through adequate milling parameters. In addition, the hydrogen absorption and diffusion properties as well as the electrochemical corrosion behavior are fundamentally examined.
Durch Auslagerungs- und elektrochemische Tests im Labor kann das Korrosionsverhalten verschiedener metallener Werkstoffe beurteilt werden. Aus den Versuchsergebnissen, die in verschiedenen synthetischen Geothermalwässern im Labor erzielt wurden, lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:
• Die Anfälligkeit für Spaltkorrosion wurde als wichtigster Aspekt für die Werkstoffqualifizierung ermittelt.
• Der niedriglegierte Stahl 25CrMo4 zeigte bei niedrigem Salzgehalt in MB-Geothermalwasser eine gleichmäßige Korrosion unterhalb der akzeptierten Schwelle von 0,3 mm/Jahr. Daher kann er als geeignet für geothermische Bedingungen mit niedrigem Salzgehalt angesehen werden, wie sie für MB getestet wurden. Es besteht keine Notwendigkeit, auf höherlegierte (teurere) Werkstoffe auszuweichen. Ein niedrigerer pH-Wert (wie bei LHD) führt zu Korrosionsraten oberhalb der akzeptablen Grenzwerte, so dass die niedriglegierten Werkstoffe nicht für Flüssigkeiten mit niedrigem pH-Wert geeignet sind.
• Stark salzhaltige Geothermalwässer erfordern höherlegierte Werkstoffe, da die Korrosionsrate von niedriglegiertem Stahl zu hoch ist.
• Der Duplexstahl X2CrNiMo22-5-3 und der Superduplexstahl X2CrNiMoCuWN25-7-4 wurden aufgrund ihrer kritischen Anfälligkeit für örtliche Korrosion in Form von Loch- und Spaltkorrosion unter Betriebsbedingungen nicht als geeignet für geothermische Anwendungen in Geothermalwässern mit einer mit NDB und ORG vergleichbaren Zusammensetzung angesehen.
• Der superaustenitische Stahl X1CrNiMoCu32-28-7 eignet sich für ORG und salzarme Wässer. In NDB-Geothermalwasser wurde er bei 100 °C als geeignet angesehen. Jedoch schränkt seine Anfälligkeit für Spaltkorrosion seine Anwendbarkeit ein. Neben seiner guten Korrosionsbeständigkeit ist sein Repassivierungsverhalten für seine begrenzte Anwendbarkeit in Geothermalwässern mit niedrigem pH-Wert verantwortlich.
• Die Nickelbasislegierung NiCr23Mo16Al wurde als geeignet erachtet und stellt eine sichere Option für den Einsatz in geothermischen Anlagen dar, selbst wenn mit stark salzhaltigem Geothermalwasser gearbeitet wird.