Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
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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.
Irradiation of solid surfaces with high intensity, ultrashort laser pulses triggers a variety of secondary processes that can lead to the formation of transient and permanent structures over a large range of length scales from mm down to the nano‐range. One of the most prominent examples are LIPSS – Laser‐Induced Periodic Surface Structures. While LIPSS have been a scientific evergreen for of almost 60 years, experimental methods that combine ultrafast temporal with the required nm spatial resolution have become available only recently with the advent of short pulse, short wavelength free electron lasers. Here, the current status and future perspectives in this field are discussed by exploiting the unique possibilities of these 4th‐generation light sources to address by time‐domain experimental techniques the fundamental LIPSS‐question, namely why and how laser irradiation can initiate the transition of a “chaotic” (rough) surface from an aperiodic into a periodic structure.
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.
Corrosion behaviour of AlCrFe2Ni2Mox (x = 0.0, 0.1, 0.15, 0.3 and 0.6) high-entropy alloys was investigated in a 0.1 M H2SO4 solution. Passive films formed upon anodic polarisation, built of Al-based inner layer and (Cr, Fe, Mo)-based outer layer, had good protective properties. In particular, they prevented corrosion of the (Al, Ni)-rich BCC-B2 phase, which was observed under open-circuit conditions. Moderate amounts of Mo, up to x = 0.3, positively affected the passivation ability of AlCrFe2Ni2. Significant changes in microstructure and phase composition of the alloy at higher Mo concentrations (x = 0.6) resulted in deterioration of its corrosion resistance.
The cleaning of aged silk fibers poses a common challenge in the conservation of textiles, since traditional cleaning techniques often yield unsatisfactory results or even harm objects. In this regard, cleaning objects with laser radiation is a promising addition to the range of available methods. Due to it being contactless, even brittle and touch-sensitive objects with disfiguring or harmful soiling could potentially be cleaned and therefore made accessible for research and presentation. Examples of treatment have sometimes shown spectacular results. Still there is some skepticism concerning the safety of this treatment for textile materials, which has been strengthened through previous 532 nm wavelength nanosecond laser cleaning studies on silk fibers. Taking these published results into account, the range of examined laser parameters has been extended in this study, from 532 nm nanosecond laser to 1064 nm nanosecond and even 800 nm femtosecond laser, reevaluating the effect of this treatment on the fibers. The physicochemical processes taking place on the silk fibers when cleaning with lasers are complex and still not fully understood. The aim of this project was therefore to bring more clarification about potential effects of those processes on the condition of silk samples treated with a set of different parameters for wavelength, pulse duration, energy density and number of pulses per spot. It also looks at the influence of the presence of soiling on the results. The analysis of potential effects was then carried out using statistical methods and advanced analytics. Scanning electron microscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy and colorimetry technology provided the required insights to better assess the effects. Results show that laser cleaning of silk fibers, like most other conventional cleaning techniques, is not completely without risk, but knowing what the possible effects are helps making decisions on whether the benefits of the technique used justify these risks.
The polarization of the laser beam exhibits more substantial differences in laser micromachining as the angle of incidence deviates from zero. In the reported work, our focus was to explore the effects of circularly, p- and s-polarized laser on angled ultrashort pulse laser micromachining of micropillar arrays. The examination encompassed laser process factors, including angles of incidence, microstructure dimensions, and inter-pillar spacing. A comparison between the resulting structures demonstrated that p-polarized laser beam was the most efficient in material removal in angled laser micromachining, followed by circularly polarized laser. While the s-polarized beam exhibited the lowest ablation efficiency among the three. Such distinction is mainly attributed to the distinguishing reflectivity of the three states of polarization on tilted planes. The development of structural heights during ablation processes was examined, and potential defects in laser processing methodologies were interpreted. The dependency of structural heights on inter-pillar spacing was analyzed. This study bridges the gap between existing studies on angled ultrashort pulse laser machining and the influences of polarization on laser machining. The comparison between structures produced using laboratory-scale and industrial-scale laser systems also yielded pertinent recommendations for facilitating a smooth transition of angled laser micromachining from laboratory-scale research to industrial applications.
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.
Multi-principal element alloys (MPEAs) are gaining interest in corrosion and electrocatalysis research due to their electrochemical stability across a broad pH range and the design flexibility they offer. Using the equimolar CrCoNi alloy, we observe significant metal dissolution in a corrosive electrolyte (0.1 M NaCl, pH 2) concurrently with the oxygen evolution reaction (OER) in the transpassive region despite the absence of hysteresis in polarization curves or other obvious corrosion indicators. We present a characterization scheme to delineate the contribution of OER and alloy dissolution, using scanning electrochemical microscopy (SECM) for OER-onset detection, and quantitative chemical analysis with inductively coupled-mass spectrometry (ICP-MS) and ultraviolet visible light (UV-Vis) spectroscopy to elucidate metal dissolution processes. In-situ electrochemical atomic force microscopy (EC-AFM) revealed that the transpassive metal dissolution on CrCoNi is dominated by intergranular corrosion. These results have significant implications for the stability of MPEAs in corrosion systems, emphasizing the necessity of analytically determining metal ions released from MPEA electrodes into the electrolyte when evaluating Faradaic efficiencies of OER catalysts. The release of transition metal ions not only reduces the Faradaic efficiency of electrolyzers but may also cause poisoning and degradation of membranes in electrochemical reactors.
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.
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.