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Der Landeserdbebendienst im Geologischen Dienst Nordrhein-Westfalen (GD NRW) überwacht mit seinem seismologischen Messnetz die Erdbebenaktivität in NRW und erfasst mögliche Auswirkungen an der Erdoberfläche. Bei stärkeren lokalen Erdbeben informiert das Erdbebenalarmsystem (EAS) des GD innerhalb weniger Minuten die zuständigen Dienststellen in NRW und die Öffentlichkeit. Für die erdbebensichere Auslegung von Bauwerken berät der GD NRW nach den aktuell gültigen Regelwerken. Hierbei werden auch Stauanlagen nach DIN 19700 besonders beachtet. Messungen zur Erfassung der Erschütterungen an Stauanlagen bieten Kooperationsmöglichkeiten zwischen Stauanlagenbetreibern und Erdbebendiensten. An der Sorpe- und Ennepetalsperre wurden die Messgeräte des Ruhrverbandes in das Messnetz des GD NRW integriert und liefern einen wichtigen Beitrag zum EAS. Es wird ein Überblick über die Erdbebenaktivität in NRW, deren Überwachung sowie über die Erdbebengefährdung nach Regelwerken für Stauanlagen gegeben.
Seit 2019 wird im Rahmen der vom BMBF geförderten Verbundprojekte DAMAST und DAMAST-Transfer an der Enguri-Talsperre in Georgien ein umfassendes Monitoringsystem aufgebaut und Daten erhoben. Dieses System zielt darauf ab, langfristige Aussagen über die Nutzung des Wasserkraftprojekts zu liefern. Hierfür wurden historische Daten, Betriebsdaten und Ergebnisse einer Vielzahl neuer und moderner Messmethoden zu einer Datensammlung zusammengeführt, die nun als Grundlage für weiterführende Analysen dient und operative Entscheidungen unterstützt. Es wurden neue Methoden entwickelt. So wurde zum ersten Mal ein GB-SAR zum geodätischen Monitoring der Deformation am Damm über einen Zeitraum von 2,5 Jahren eingesetzt. Die Einbindung der Kräfte vor Ort und der wissenschaftliche Austausch mit den Universitäten des Landes fördern den Aufbau und den Erhalt der Expertise. Durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz strebt man die Entwicklung eines Prognose-Tools an, das den Echtzeit-Gefährdungsstand der Staumauer widerspiegelt.
Cybersicherheit wird für die Wasserwirtschaft mehr und mehr relevant. Durch gesetzliche Anforderungen wer-den Betreiber von kritischen Infrastrukturen zur Erfüllung des Stands der Technik bei der Informationssicherheit ihrer Anlagen verpflichtet. Neben Anforderungen an die IT-Sicherheit werden auch Anforderungen an die physische Absicherung von kritischen Infrastrukturen gestellt. In dem Beitrag werden Anforderungen aus dem IT-Sicherheitsgesetz 2.0 sowie zu erwartende Anforderungen aus dem NIS2-Umsetzungs- und Cybersicherheitsstärkungsgesetz und dem KRITIS-Dachgesetz vorgestellt und eine Empfehlung zur Vorbereitung auf die Umsetzung gegeben.
Der Beitrag untersucht die automatisierte Datenqualifizierung von Bauwerksdaten in der Talsperrenwirtschaft, insbesondere die Verbindung zwischen dem SICA-Algorithmus von Okeanos und der Messdatenhaltung Aquarius von Aquatic Information. Die zuverlässige Erfassung und Auswertung dieser Daten sind entscheidend für die Sicherheit und Effizienz von Talsperren. Der Fokus liegt auf den neuesten Entwicklungen im Bereich der automatisierten Datenqualifizierung, einschließlich künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen zur Fehlererkennung und -korrektur. Der SICA-Algorithmus zeichnet sich durch den Einsatz unbewachten Lernens aus, was eine flexible und adaptive Lösung für die Bauwerksanalyse ermöglicht. Ein praktisches Beispiel illustriert die Anwendung des SICA-Algorithmus in Verbindung mit Aquarius und liefert Einblicke zur Weiterentwicklung der automatisierten Datenqualifizierung in der Talsperrenwirtschaft.
Im Bauwerks-Monitoring werden zur Ermittlung von Setzungen i. d. R. hydrostatische Nivellements sowie Beschleunigungssensoren oder Inklinometer zur Neigungsmessung verwendet. Bisherige Schlauchwaagen-Messinstrumente werden mechanisch, elektrisch, magnetisch oder automatisiert eingesetzt. Alle mechanisch bewegten Komponenten in den klassischen Setzungs- oder Neigungsinstrumenten unterliegen einem starken Verschleiß und müssen aufwendig instandgesetzt werden. Mit der Neuentwicklung der hydrostatischen, optisch-elektronischen Laser-Präzisionsschlauchwaage (LSW) ist es erstmalig möglich, die zwei Messaufgaben Setzung und Neigung in einem hochpräzisen Messinstrument zu kombinieren. Mit der LSW können Setzungen, Neigungen und Temperaturen in Echtzeit in diskreten Abständen von beispielsweise 1 s, 10 s oder 6 h automatisiert ermittelt werden. Die relativen Höhendifferenzen (Setzungen) werden mit einer Standardabweichung von 0,1 mm bis 0,2 mm im vertikalen Messbereich von ca. 200 mm bestimmt.
In dieser Studie wurden Satellitenbeobachtungen mittels Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) an der Tal-sperre Leibis/Lichte im Thüringer Schiefergebirge mit In-situ-Lotdaten verglichen, um Deformationen an Stau-bauwerken zu überwachen. Es zeigte sich eine starke Korrelation zwischen den Satellitendaten des Boden Bewegungsdienstes Deutschland (BBD) und den In-situ-Messungen, insbesondere spiegelten die BBD-Daten den saisonalen Deformationsverlauf der Staumauer genau wider. Die Analyse ergab hohe R²-Werte, was auf eine starke lineare Beziehung hinweist. 90% der p-Werte lagen unter 0,05, was hohe statistische Signifikanz anzeigt. Diese Ergebnisse bestätigen das Potenzial der PSI-Satellitentechnologie als ergänzendes Instrument zur Überwachung von Staubauwerken, wobei eine sorgfältige Datenanalyse entscheidend für die Genauigkeit ist.
Für die Erfassung von Sohlgeometrien in Talsperren existieren unterschiedliche komplementäre Messsysteme. Die komplexen Verfahren wurden an zwei Talsperren unterschiedlicher Talsperrenklassen angewendet und verglichen. Dabei spielte, neben der Festlegung von Grenzen für die Anwendbarkeit, vor allem die Abgrenzung des notwendigen Datenumfanges im Spannungsfeld von Verarbeitbarkeit und ausreichender Datenpräzision eine zentrale Rolle. In Erweiterung dessen wurde ein Messkonzept entwickelt, um die Aufnahme sowie die Verarbeitung der Daten zu vereinheitlichen. Weiterhin wurde das Ziel verfolgt, die Datenaufnahme einer praxisnahen Lösung zuzuführen. Dieses sollte, trotz der unterschiedlichen Datengrundlagen und ggf. Untersuchungsziele, einen standardisierten Ablauf für Sohlaufnahmen an Talsperren ermöglichen.
Früher war die Verfügbarkeit von Eingangsdaten für Vertiefte Überprüfungen an Stauanlagen oft begrenzt. Der Anspruch an diese Daten musste daher oft dem Genauigkeitsgrad der zum Teil nur unvollständig zur Verfügung stehenden Daten genügen. Die Eingangsgrößen beruhten häufig auf manuellen Messungen, Berechnungen und Zeichnungen und die technischen Möglichkeiten, diese zu digitalisieren, waren beschränkt. Inzwischen hat sich dies deutlich verändert. Mit dem Fortschritt der Technologien und dem Aufkommen von automatisierten Mess-systemen stehen umfangreiche Daten meist digital zur Verfügung, was einerseits zu einer höheren Sicherheit bei der Beurteilung der Zuverlässigkeit von Stauanlagen führen kann. Andererseits ist mit der hohen Verfügbar-keit von Eingangsdaten zugleich der Anspruch an die Auswertung, Qualität und Aktualität der Daten gestiegen, was einen erheblich höheren Aufwand bei der Bearbeitung einer Vertieften Überprüfung bedeuten kann.
Kurzfassung: Die Erfassung des anliegenden Sohlwasserdrucks ist wesentlich für die Einschätzung der Stand-sicherheit einer Stauanlage. An der Talsperre Carlsfeld gab es 22 automatisierte Sohlwasserdruckmessstellen, deren Sensoren nach dem Prinzip der Schwingsaite arbeiteten und verloren eingebaut wurden. Viele dieser Messstellen waren für Handmessungen nicht ohne weiteres zugänglich, was dazu führte, dass die automatisch erfassten Messwerte zum Teil nur selten oder gar nicht validiert werden konnten. Diese Situation erforderte Handlungsbedarf und führte zu einem Neu- bzw. Umbau des gesamten Sohlwasserdruckmesssystems gemäß den allgemein anerkannten Regeln der Technik. In diesem Beitrag soll von der Planung bis zur Umsetzung in den Jahren 2021 bis 2022 sowie über Besonderheiten berichtet werden.
Untersuchungen zu den Belastungsgrenzen des Polygonscansystems
durch die genutzte Laserstrahlung
(2023)
Um die immer weiterwachsenden Laserleistungen der Lasergeräte auf dem Markt effektiv auf der Werkstoffoberfläche umsetzen zu können, werden extrem schnelle Laserstrahlablenksysteme benötigt. Zu diesem Zweck
wurde in der Vergangenheit an der Hochschule Mittweida ein komplett neuartiges Polygonscannersystem entwickelt. Durch den steigenden Bedarf von immer kürzeren Laserpulsen und höheren Spitzenintensitäten der Industrie sollte das System hinsichtlich der Zerstörschwelle charakterisiert werden, um die Grenzen der optischen Schichten und somit des Scannersystems auszuloten. In der folgenden Arbeit wurde jedes optische Bauteil hinsichtlich der optischen Belastungsgrenze untersucht und charakterisiert. Augenmerk hierbei lag vornehmlich auf der Verwendung ultrakurzer Laserpulse aber auch thermale Belastungstests mittels kontinuierlichen Hochleistungslasern wurden durchgeführt.
Das Selektive Laserschmelzen ist einer der vielen pulverbettbasierten Fertigungsverfahren, die in vielen Industriebereichen ihren Einsatz findet. Vorallem in der Luftfahrtbranche werden vermehrt Bauteile aus Titanlegierungen
mit diesem Verfahren hergestellt. Hohe Sicherheitsanforderungen zwingen daher, die Pulverqualität stets zu gewährleisten, weswegen die Auswirkungen bei Verunreinigungen in diesem Beitrag Untersuchungsgegenstand waren
Die Mikrostrukturierung mittels Fluorlaser ermöglicht die Herstellung von Mikrooptiken in Gläsern und anderen Materialien mit großer Energiebandlücke. Für die Strukturierung von Mikrolinsen haben wir eine neue Herstellungsmethode und den dafür benötigen Experimentaufbau entwickelt. Der Prozess basiert auf dem Maskenprojektionsverfahren und nutzt eine Vielzahl unterschiedlicher Kreismasken, die nacheinander im Laserstrahlengang platziert werden, um einen ringförmigen Ablationsbereich zu formen. Durch die Verwendung eines
entsprechend konzipierten Maskensatzes ist es möglich, eine Oberfläche mit einer definierten sphärischen Form herzustellen. Es werden der gesamte Prozess, der Experimentaufbau sowie die Ergebnisse vorgestellt
Anwendungen im Bereich smarte Textilien gewinnen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Häufig ist die elektrische Leitfähigkeit der textilen Strukturen die Grundvorrausetzung für sensorische und aktuatorische
Aufgaben. Leitende Strukturen, die mit momentan existierenden Technologien erzeugt werden, erfüllen jedoch nicht das hohe textile Anforderungsprofil an Widerstandsfähigkeit wie Waschbarkeit und Flexibilität. Bisherigen Lösungen, wie leitfähigen Garnen mangelt es an Knickbruchbeständigkeit und bei der Verwendung von leitfähigen Tinten ist die elektrische Leitfähigkeit zu gering. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Generierung elektrisch leitfähiger Strukturen mit Hilfe einer laserbasierten Pulverbeschichtungstechnologie. Dabei werden zwei möglich industriell einsetzbare Varianten vorgestellt und bewertet. Für die Beschichtung wird ein Gemisch aus TPU Pulver und Silberpartikeln verwendet. Dieses wird durch CO2-Laserstrahlung auf dem Textil fixiert. Die entstehenden Strukturen werden mit analytischen und mikroskopischen Methoden ausgewertet.
Die additive Verarbeitung der Titanlegierung Ti-6Al-4V mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (LPBF) ist gut erprobt und in der Luftfahrt bereits im Serieneinsatz. Dabei gibt es erhebliche Einschränkungen hinsichtlich
Bauteilgestaltung und erzielbarer Maßhaltigkeit. Die Ursache dafür findet sich im thermischen Eigenspannungsprofil des Legierungssystems, was zu einem erheblichen Bauteilverzug infolge der additiven Fertigung führen kann. Daher müssen derartige Komponenten sehr steif ausgeführt werden oder es ist ein hoher Einsatz von zusätzlichem Stützmaterial erforderlich. Zur Lösung dieses Problems können metastabile Titanlegierungen, wie etwa Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr, herangezogen werden. Der vorliegende Beitrag umfasst die LPBF-Verarbeitung der Legierung Ti-5553 mit robusten Prozesskenngrößen, resultierender Oberflächengüte sowie die Untersuchung geeigneter Wärmebehandlungen mit zugeordneten mechanischen Eigenschaften
Die bei der Laserprozessierung freigesetzten Laserrauche bzw. Partikelemissionen zählen zu den Sekundärgefährdungen
durch Laserstrahlung und können für den Personenkreis im Laserarbeitsraum als auch für die Anlagentechnik im Umfeld ein Sicherheitsrisiko darstellen. Die dazu innerhalb eines Forschungsvorhabens an ausgewählten Werkstoffen durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass Laserrauche größtenteils als alveolengängiger Ultrafeinstaub mit Partikelgrößen im Bereich 100 nm vorliegen. Mit einem neuartigen Abscheidesystem konnte ein hoher Abscheidegrad > 99,99 % erreicht und selbst große Mengen an Laserrauchen verlässlich erfasst und abgeschieden werden. So gelang es, die bzgl. Staubbelastung und Gefahrstoffe geltenden Arbeitsplatzgrenzwerte auch für großvolumige Laserablationsprozesse nachweislich einzuhalten. Die Überprüfung der laserinduzierten Partikelemissionen auf Zünd- und Explosionsfähigkeit ergab ein niedriges Gefahrenpotenzial für Aluminium; die untersuchten Stahlsorten wurden als nicht explosionsfähig eingestuft.
Laser engraving requires a precise ablation per pulse through all layers of a depth map. To transform this process towards areas of a square meter and more within an acceptable time, needs high-power ultra-short pulsed lasers for the precision and a high scan speed for the beam distribution. Scan speeds in the range of several 100 m/s can be achieved with a polygon scanner. In this work, a polygon scanner has been utilized within a roll-engraving machine to treat an 800 x 220 mm² (L x Dia) roll with 0.55 m² in a laser engraving process. The machine setup, the processing strategy and the data handling has been investigated and result in an efficient large area process. Pre-tests were performed with a multi-MHz-frequency nanosecond-pulsed laser, to investigate the processing strategy. A method to overcome the duty cycle of the polygon scanner was found in the synchronization of two polygons, enabling the use on a single laser source in a time-sharing concept. The throughput and the utilization of the laser source can be increased by the factor of two
Das Mikro-SLM ermöglicht die Herstellung von Präzisionsbauteilen mit sehr geringen Abmessungen. Eine wesentliche Rolle für den Prozess spielt die in das pulverförmige Ausgangsmaterial eingebrachte Energie. Durch die Nutzung verschiedener Bestrahlungsregime mit kontinuierlicher und gepulster Bestrahlung kann der Energieeintrag variiert werden. In vergleichenden Untersuchungen konnten mit beiden Betriebsarten hohe Bauteildichten sowie hohe Strukturauflösungen generiert werden. Für beide Bestrahlungsregime wurden limitierende Faktoren für den Aufbau von Volumenkörpern festgestellt, welche nutzbare Prozessparameter einschränken. Unter Verwendung von kontinuierlicher Bestrahlung konnten höhere Aufbauraten erreicht werden.
Es wird das selektive Laserentschichten und die Detektion von Oberflächenmaterialien wie Partikelrückständen auf Glasträgern demonstriert, die für das Handling von Bauteil-Wafern benötigt werden. Durch die Evaluierung des Systems mittels systematischer Parameterreihen kann gezeigt werden, dass Schichten selektiv abgetragen werden können und somit der Einsatz von chemischen Prozessen vermieden werden kann. Darüber hinaus wurde im Rahmen der Prozessentwicklung eine kamerabasierte und spektrale Überwachung implementiert. Die Ergebnisse werden hinsichtlich des Abtrag-Erfolgs und der spektrometrischen Analyse der Partikelrückstände mittels Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) dargestellt.
Die Autoren dieser Arbeit berichten über die Erzeugung und Nutzung von hochfrequenten kombinierten MHz - und GHz - Bursts aus ultrakurzen Laserpulsen, um eine Oberflächenlegierung auf dem Verbundwerkstoff WC - Co zu bilden. Die resultierenden Topographien, Abtragtiefen und chemischen Zusammensetzungen der bestrahlten Materialoberflächen wurden im Hinblick auf die Modifikation der Oberfläche des gewählten Verbundwerkstoffes
charakterisiert, dessen Elemente Wolframkarbid (WC) und Kobalt (Co) die Bildung einer Oberflächenlegierung nur in einer gemeinsamen metastabilen flüssigen Phase zulassen. Die Ergebnisse dieser Fallstudie zeigen, dass mit hochfrequenten Bursts ultrakurzer Laserpulse im untersuchten Parameterbereich die Bildung einer Oberflächenlegierung möglich ist, ohne dass sich die chemische Zusammensetzung von WC und Co tendenziell ändert.
In this work, Direct Laser Interference Patterning (DLIP) is used in conjunction with the polygon scanner technique to fabricate textured polystyrene and nickel surfaces through ultra-fast beam deflection. For polystyrene, the impact of scanning speed and repetition rate on the structure formation is studied, obtaining periodic features with a spatial period of 21 μm and reaching structure heights up to 23 μm. By applying scanning speeds of up to 350 m/s, a structuring throughput of 1.1 m²/min has been reached. Additionally, the optical configuration was used to texture nickel electrode foils with line-like patterns with a spatial period of 25 μm and a maximum structure depth of 15 μm. Subsequently, the structured nickel electrodes were assessed in terms of their performance for the Hydrogen Evolution Reaction (HER). The findings revealed a significant improvement in HER efficiency, with a 22% increase compared to the untreated reference electrode.
Fokussierte ultrakurz gepulste Laserstrahlung ermöglicht die Bearbeitung von transparenten Dielektrika, wie Glas, obwohl die Photonenenergie geringer als die Energiebandlücke des Materials ist. Die dabei zugrundeliegenden physikalischen Prozesse Multiphotonen-, Tunnel- und Avalancheionisation wurden bereits in zahlreichen experimentellen und theoretischen Studien untersucht und sind unter anderem stark von den transienten optischen Eigenschaften des Materials während der Bestrahlung sowie der Elektron-Elektron Stoßfrequenz abhängig. In diesem Beitrag wird ein Pump-Probe Setup vorgestellt, welches mit einem abbildenden Ellipsometer kombiniert wurde und so den transienten komplexen Brechungsindex des angeregten Materials zeitlich, spektroskopisch und örtlich aufgelöst bestimmen kann. Die damit gemessenen transienten optischen Eigenschaften von Glas werden mit verschiedenen Modellen aus der Literatur verglichen, um diese zu überprüfen und so die nichtlinearen Anregungsprozesse besser verstehen zu können.
Ziel dieser Untersuchungen war die Charakterisierung der laserinduzierten Signalerzeugung auf Asphaltkörpern, welche speziell für die Entwicklung und Anwendung einer neuartigen opto-akustischen Messtechnologie für eine mobile, berührungslose, zerstörungsfreie Bestimmungsmethode des strukturellen Zustands von Asphaltfahrbahnen von Bedeutung ist. Diese Art der Messtechnologie basiert auf der Impulseinkopplung hochenergetischer Laserpulse, die in die Fahrbahnoberfläche eingetragen werden und aus der Auswertung der Ausbreitungs- und Reflexionsmustern der so generierten Körperschallwellen. Notwendig hierfür waren Versuche in
Abhängigkeit von verschiedenen Laserparametern (Pulsenergie, Fluenz und Strahlradius) zur Generierung von Schockwellensignalen mit ausreichend hoher Signalstärke für die Anwendung einer MASW-Vermessungsmethode (MASW – „Multichannel Analysis of Surface Waves), welche so für die anschließende Signalzuordnung in einem horizontal geschichteten Medium (Asphaltfahrbahn) umgesetzt werden kann.
Die Oberflächenrauheit beeinflusst wesentlich die Eigenschaften, Funktionalität und die visuelle Erscheinung von Werkstücken. Deshalb wurde das Hochrate-Laserglätten an Edelstahl X5CrNi18/10 (1.4301) untersucht. Die Stahlbleche wurden vor der Bearbeitung sandgestrahlt, dadurch konnte eine homogene, raue Oberfläche erzeugt werden. Die Oberflächenrauheit des Ausgangsmaterials betrug Sa = 0.42 μm. Durch die Kombination eines 5 kW Multimode Faserlasers mit einer ultraschnellen Strahlablenkung mittels Polygonscanner können sehr hohe Geschwindigkeiten und damit hohe Flächenraten umgesetzt werden. Durch das Laserglätten konnte eine minimale Oberflächenrauheit von Sa = 0.11 μm erzielt werden, was einer Verbesserung der Oberflächenrauheit von 74% entspricht. Die Flächenrate für die Bearbeitung betrug dabei 800 cm²/min
Die Bestrahlung einer dünnen Goldschicht (Schichtdicke 𝑑𝑑𝑧𝑧 = 150 nm, 25 nm Haftvermittlerschicht aus Chrom, Substrat: Quarzglas) mit Einzel- und Doppelpulsen von ultrakurz gepulster Laserstrahlung (Pulsdauer 𝜏𝜏𝐻𝐻 = 40 fs, Wellenlänge 𝜆𝜆 = 800 nm, zeitlicher Pulsabstand 𝛥𝛥𝛥𝛥 = 400 ps, Spitzenfluenz pro Puls 𝐻𝐻0 = 1,5 𝐻𝐻𝑡𝑡ℎ𝑟𝑟 , 𝐻𝐻𝑡𝑡ℎ𝑟𝑟 − Ablationsschwelle) ergibt signifikante Unterschiede zwischen der Topologie der Ablationsstrukturen des Einzel- und des Doppelpulses. Durch Simulationen mit Hilfe des Zwei-Temperatur-Modells in Kombination mit der Hydrodynamik (TTM-HD) können diese unterschiedlichen Topologien erklärt werden. Die Ursache stellt dabei die Wechselwirkung des zweiten Pulses mit der durch den ersten Puls erzeugten Ablationswolke, deren Erhitzung durch die Absorption des zweiten Pulses und die anschließende allseitige Expansion des entstehenden Gas-Flüssigkeits-Gemisches dar. Die berechneten Ergebnisse werden durch ultraschnelle abbildende
Reflektometrie bestätigt und validiert.
In laser drilling, one challenge is to achieve a high drilling quality in high aspect ratio drilling. Ultra-short pulsed lasers use different concepts like thin disks, fibers and rods. The slab technology is implemented because of their flexibility and characteristics. They bring together both advantages and deliver high pulse energies at high repetition rates. Materials with a thickness > 1.5 mm demand specialized optics handling the high power and pulse energies with adapted processing strategies, integrated in a machine setup. In this contribution, we focus on all the necessary components and strategies for drilling high precision holes with aspect ratios up to 1:40.
Als berührungsloses Werkzeug hat sich der Laser seit vielen Jahren in der Bearbeitung unterschiedlichster Materialien etabliert. Nicht nur, weil durch Lasertechnologien herkömmliche Fertigungsprozesse effizienter und
ressourcenschonender gestaltet werden können, sondern auch, weil die Herstellung neuer Produkte erst möglich wurde. Insbesondere Kurzpuls- und Ultrakurzpulslaser erlauben die Mikrobearbeitung in den Verfahren Mikrobohren, Mikrostrukturieren und Mikroabtragen und die reproduzierbare Herstellung technischer Produkte, u.a. Membranen, Düsen, Matrizen oder medizinischer Instrumente. Werkstoffe und Legierungen, wie Edelstähle, rostbeständige Chromstähle, Titan, Nitinol, aber auch Kunststoffe und Borosilikatglas lassen sich mit dem Laser bearbeiten. An verschiedenen Beispielen wird gezeigt, wie ultrakleine und ultragenaue Geometrien prozesssicher mit Produktionsanlagen made by SITEC in Großserie gefertigt werden.
Die Nachfrage und Innovation bei der Batterieherstellung steigt zunehmend mit dem wachsenden Bedarf an e-Mobilität. Da mechanische Verfahren bei der Produktion von Batteriezellen oft an ihre Grenzen stoßen, kann der Laser als präzises kontaktloses Werkzeug viele Vorteile bieten gegenüber klassischen mechanischen Bearbeitungsverfahren.
Die Wahl der passenden Laser-Technologie gestaltet sich jedoch aufgrund der Komplexität der Folienmaterialien und Elektrodenzusammensetzungen als herausfordernd. Während das Schneiden mit kontinuierlichen Lasern oft zu großen Wärmeeinflusszonen führt, insbesondere bei beschichteten Folien, sind gepulste Laser in der Lage, in der Regel eine bessere Qualität beim Schneiden zu erzielen. Der Beitrag gibt einen Überblick über die Herausforderungen des Laser-Schneidens von Batteriefolien und untersucht die Vor- und Nachteile von Nanosekunden- und Pikosekunden-Lasern für eine Vielzahl von verschiedenen Materialien.
In der aktuellen Forschung werden die Eigenschaften und Anwendungen von ultrakurzgepulster Laserstrahlung im selektiven Lasersintern von keramischen Pulvern untersucht. Die hohe Verschleißfestigkeit und Biokompatibilität
prädestinieren Keramiken für vielfältige technische und medizinische Anwendungen. Hohe Rissneigung durch Temperaturgradienten im Sinterprozess, sowie die hohen Schmelztemperaturen sind dabei Herausforderungen und stehen im Fokus der Technologieentwicklung. Die Nutzung einer inversen Schichterzeugungskinematik ermöglicht einen effizienten Pulverauftrag. Kerninnovation ist die Anwendung des Ultrakurzpulslasers. Mit diesem gelingt es, sowohl Zirkonoxid als auch Aluminiumoxid in verschiedenen stofflichen Konfigurationen zu sintern, wobei stabile und teilweise glasierte Oberflächen sowie stapelbare Sinterschichten erfolgreich erzeugt werden.
Wir verglichen die Reib- und Verschleißeigenschaften von verschieden beschichteten CoCrMo-Proben unter Belastungen, wie sie typischerweise im Knie auftreten. Es wurden verschiedene ta-C-Beschichtungen und die in der Medizin verbreiteten TiNbN-Beschichtungen verglichen. Dabei wurden die bei Ball-on-Disk-Tribometerversuchen an der Tribometerspitze entstehenden Kalotten ausgewertet. Wir konnten feststellen, dass unsere strukturierten ta-C-Oberflächen, gegenüber den üblichen Beschichtungen, weniger als 1/40 des Verschleißes zeigen, bei einer gleichzeitigen Reibwertreduzierung um bis zu 80%.
Ziel des Projektes war es, Implantate zu entwickeln, welche langlebiger als bisher übliche Knieimplantatslösungen sind, besonders in Bezug auf Verschleiß der artikulierenden Flächen. Hierfür sollten Verschleiß mindernde
Hartstoffschichten aus biokompatiblen Kohlenstoff (ta-C) und reibungsmindernde laserinduzierte Strukturen auf neuartigen CoCrMo-Implantaten aufgebracht werden. Wir konnten in angepassten tribologischen Untersuchungen zeigen, dass unsere Schicht-Struktur-Systeme, gegenüber TiNbN-Schichten auf gleichem Substrat, deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen. So zeigten diese einen auf 1/40 reduzierten Reibungsverschleiß bei gleichzeitiger Reibwertreduzierung ~1/5
For monitoring laser beam welding processes and detecting or actively avoiding process defects, acoustic based measurements can be used in addition to optical measurement methods such as pyrometry. To reliably detect process events, it is essential to position the respective sensors in such a way that specific signal characteristics are reproducible and significant. However, there are only few investigations regarding the positioning for airborne sound sensors, especially for the detection of process emissions in the ultrasonic range. Therefore, in this research, the influence of the process distance as well as the angle and orientation of the microphone to a laser beam deep penetration welding process is investigated with respect to the detectability of process emissions in different frequency bands. It is shown that for a wide ultrasonic range a flat sensor angle with respect to the sample surface leads to an increased signal strength of the acoustic emissions compared to steep angles.
Infolge der raschen Entwicklung in der Lasertechnik werden in modernen Laserbearbeitungsmaschinen immer öfter Ultrakurzpulslaser (UKPL) verwendet. Die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten eröffnen industrielle Anwendungen
in den Bereichen der Oberflächenfunktionalisierung, Medizin und vielen mehr. Durch die Eigenschaften der UKPL-Strahlung können neben der Primärgefährdung durch die Laserstrahlung auch Sekundärgefährdungen wie die laser-induzierte Röntgenstrahlung entstehen. Um diese meist weiche Röntgenstrahlung abzuschirmen und die Reglementierung nach §17 StrlSchV einzuhalten, wird die Abschwächung der Röntgenstrahlung von verschiedenen Materialien berechnet, validiert und an spektralen Verteilungen aus der Literatur angewendet. Dadurch soll es ermöglicht werden, die Schutzfunktion der UKPL-Maschineneinhausung an verschiedene Szenarien anzupassen und zu optimieren.
Im Rahmen der vorgestellten Ergebnisse wird das Potential von dünnen Borkarbid-Schichten (B4C) hinsichtlich tribologischer Anwendungen untersucht. Dafür werden stöchiometrische B4C-Schichten mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften mittels Laserpulsabscheidung auf Stahl mit Schichtdicken von 1 μm abgeschieden. Diese teils superharten Schichten werden anschließend durch Lasermikrostrukturierung mit Mikrostrukturen versehen, deren Einflüsse auf die tribologischen Eigenschaften anschließend mittels ball-on-disc-Verfahren im Tribometerversuch bestimmt werden. Die Charakterisierung sowohl der unstrukturierten als auch der strukturierten Bereiche erfolgt neben Rasterelektronenmikroskopie und Atomkraftmikroskopie insbesondere durch Ultrananoindentation zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften.
Entwicklung eines SLM-Prozesses für die Fertigung eines
topologieoptimierten Aufbohrwerkzeuges
(2023)
Mittels des additiven Pulverbettverfahrens Selective Laser Melting (SLM) können schichtweise Bauteile mit gleichwertigen Werkstoffeigenschaften des Vollmaterials generiert werden, wodurch sich viele Vorteile gegenüber den traditionellen Fertigungsprozessen ergeben. So können Features wie innenliegende Bohrungen für Kühlschmiermittel, bionische Strukturen zur Gewichtsreduktion oder Verstärkungen entsprechend mechanischer Belastungen in das Bauteil integriert werden. Ein weiterer Ansatz ist Gegenstand des ZIM-Projektes „FlexROUND“ und wird hier dargestellt. Durch Einbringung von filigranen Strukturen bzw. Gitternetzen in Bauteile soll eine definierte elastische Verformung unter Vorgabe einer konkreten Belastung ermöglicht werden. Dies geschieht durch Variation der Elementarzellengeometrie und der Anpassung der Gitterkonstante um eine gewünschte Nachgiebigkeit zu erhalten. Durch gezielte Veränderung der Füllstrategie können somit elastische Wände aus nur einer einzelnen Laserspur generiert werden. Erste Prüfkörper aus Werkzeugstahl 1.2709 wurden im orthogonalen Drehversuch am Material AW-2007 und C45 getestet und deren Verformung über entsprechende Sensorik erfasst. Die aufgenommenen mechanischen Kennwerte wurden in einer Werkstoffdatenbank
zusammengetragen und dienen als Basis für die simulationsbasierte Auslegung neuer Gitternetze für eine definierte Verformung bei entsprechender Belastung. Die gezeigten Ergebnisse fließen später in die Entwicklung eines Bohr- und Reibwerkzeuges für die CFK-Bearbeitung ein, um die Prozessstabilität zu steigern, die Werkzeugstandzeit zu erhöhen und die Bohrlochqualität zu verbessern
Der Einsatz von Polygonspiegelscannern zur ultraschnellen Strahlablenkung im Mikro-SLM besitzt das Potential, die Effizienz dieses Fertigungsverfahrens um ein Vielfaches zu steigern. Durch die hohen Scangeschwindigkeiten von bis zu 100 m/s kann die Bestrahlungszeit deutlich reduziert werden, ohne dabei die hohe Auflösung des Verfahrens zu beeinträchtigen. In ersten Untersuchungen zeigte sich, dass aufgrund der kurzen Wechselwirkungszeiten im Bereich einiger 100 ns und der Verwendung von hohen mittleren Laserleistungen die Verdampfung von Pulvermaterial den für die Schichtbildung maßgeblichen Prozess darstellt. Die so entstehenden Schmelzspuren weisen eine inhomogene Oberflächenstruktur sowie eine hohe Porosität auf. Durch die Anpassung der Prozessparameter konnten dennoch Strukturbreiten kleiner 100 μm und relative Dichten größer 94 % erzeugt werden.
Stahl ist nach wie vor einer der wichtigsten metallischen Werkstoffe unserer Zeit. Ein großer Vorteil gegenüber anderen Metallen ist die temperaturabhängige Mehrphasigkeit des Gefüges. Bei Temperaturen von ca. 800 °C kann ein Gittertyp dichterer Packung eingestellt werden und durch eine rasche Abschreckung auch im festen Aggregatzustand erhalten bleiben. Die Härte und die Verschleißbeständigkeit des Bauteils steigen erheblich an. In der vorliegenden Veröffentlichung wird die Steigerung der Einhärtetiefe im Bereich des Laserstrahlhärtens durch die Anpassung der Strahlgeometrie und Intensitätsverteilung an die Beschaffenheit der zu härtenden Zone des Bauteils dargelegt. Hierbei werden speziell dünnwandige, verzugsgefährdete Bauteile wie Dorne oder Messerschneiden betrachtet. Durch die Kombination aus angepasster Intensitätsverteilung und großem Aspektverhältnis kann der geometriebedingte Wärmestau für den Härteprozess nutzbar gemacht werden. Im Rahmen
der Charakterisierung des Laserstrahlhärteprozesses konnten Einhärtetiefen von bis zu 8 mm erreicht werden.
Nach Angaben der Vereinten Nationen haben mehr als 2 Milliarden Menschen keinen direkten Zugang zu sicherem Trinkwasser [1]. Da konventionelle Kläranlagen und bestehende dezentrale Systeme derzeit nicht in der Lage sind, die zunehmende Menge an Spurenstoffen anthropogenen Ursprungs wie Arzneimittelrückstände sicher und zuverlässig zu entfernen oder zurückzuhalten, droht die Anzahl weiter zu steigen. Photokatalytisch aktive Keramikfilter könnten diese Lücke schließen und damit die Wasserqualität verbessern. Das selektive Lasersintern bietet hierbei die Möglichkeit, Filterelemente aus photokatalytisch aktiver Vollkeramik herzustellen, die eine lange Lebensdauer und eine große aktive Oberfläche gewährleisten. Da die photokatalytisch aktive Phase der Keramik bei zu hohen Temperaturen schnell zerstört wird, werden die Keramikpartikel in eine Duroplast-Matrix eingehüllt, die mit niedrigen Laserleistungen aufgeschmolzen werden kann. Die damit hergestellten Grünkörper können nachträglich bei definierten Temperaturen ausgehärtet, entbindert und gesintert werden und sollen damit ihre photokatalytische Aktivität behalten
Die Kohärenztomographie im eXtremem Ultraviolettbereich (XCT) ist eine neue Methode zur 3D-Vermessung von Nanostrukturen mit Nanometer-Auflösung. Sie verwendet das interferometrische Prinzip der optischen Kohärenztomographie
(OCT) um mittels Fourier-Transformation Strukturinformationen zu extrahieren. Ein speziell entwickelter Phasenrekonstruktionsalgorithmus (PR-XCT) ermöglicht artefaktfreie XCT. Experimentell wurden axiale Auflösungen von 24 nm erreicht, laterale Auflösungen von etwa 23 μm und hohe Materialempfindlichkeit. Der PR-XCT-Algorithmus erlaubt quantitative Informationen und markierungsfreie Identifizierung vergrabener Strukturen im Nanometerbereich. Optimierung der Modellparameter ermöglicht zusätzliche Erkenntnisse über Oberflächenrauhigkeit und Schichtdicken.
Wir präsentieren erste Ergebnisse mit einem Prototyp der nächsten Ausbaustufe unseres kommerziellen Spektralverbreiterungs- und -komprimierungssystems basierend auf der Multipasszellentechnologie. Er ist für 2,0 mJ Eingangsenergie bei 0,9 ps Impulsdauer ausgelegt und soll komprimierte Ausgangsimpulse von unter 100 fs liefern. Bei der vollen Eingangsenergie wurde eine spektrale Verbreiterung auf 30 nm Bandbreite bei -10 dB mit einem Fourier-Transformlimit von 0.11 ps erzielt wurde. Die Transmission der Durchschnittsleistung betrug dabei 90,5 %
Das Makro-SLM ist eine Weiterentwicklung des etablierten laser-pulverbettbasierten 3D-Drucks von Metallbauteilen (auch SLM oder L-PBF). Durch die Steigerung von Laserleistung, Spotdurchmesser, Schichtdicke und Pulverkorngröße werden Strukturauflösung im Millimeter- statt wie üblich im Mikrometer-Bereich erzeugt. Dies wiederum ermöglicht eine enorme Steigung der Aufbaurate bis aktuell 1.300 cm³/h. Es ähnelt damit den Strukturauflösungen und Aufbauraten beim Auftragschweißen. Das stützende Pulverbett bietet jedoch den Vorteil komplexere Geometrien zu realisieren. Makro-SLM vereint damit die Vorteile beider Welten: hohe Gestaltungsfreiheit bei gleichzeitig hoher Produktivität. Ziel ist es, mit dem Makro-SLM komplexe, endkonturnahe Metallbauteile in Kubikmeter-Dimensionen herstellen. In der vorliegenden Veröffentlichung werden das neue Anlagenkonzept erläutert und prozesstechnische sowie mechanische Kennwerte benannt. Abschließend werden verschiedene aktuelle Anwendungen vorgestellt und ein Ausblick zu den geplanten Entwicklungen gegeben.
Das Fügen von gesinterter technischer Keramik ist eine Herausforderung, insbesondere, wenn die Fügezone die gleichen Eigenschaften wie die Keramik ausweisen soll. Am ifw Jena werden daher Schweißversuche an intransparenten Keramiken mit Ultrakurzpulslasern durchgeführt. Aufgrund der schmalen Schweißnähte (< 100 μm) und der kurzen Prozesszeit können Risse sowie Poren vermieden und eine signifikante Erwärmung des Grundkörpers ausgeschlossen werden. Potentiell soll es dadurch ermöglicht werden auch thermisch empfindliche Komponenten in der Keramik versiegeln zu können.
We report on our recent progress in creating a new type of compact laser that uses thulium-based fiber CPA technology to emit a central wavelength of 2 μm. This laser can produce pulse energies of >100 μJ and an average power of >15 W. It is designed to be long-lasting and is built for industrial use, making it a great fit for integration into laser machines used for materials processing. These laser parameters are ideal for working with semiconductors like silicon, allowing for tasks such as micro-welding, cutting of filaments, dicing, bonding and more.
Entwicklung eines CO2-Laser Bearbeitungsprozesses für die Herstellung optischer Faserendflächen
(2023)
In der Medizintechnik, insbesondere in der minimal invasiven Chirurgie, wird der Laser häufiger als ein ideales Werkzeug genutzt, um operative Eingriffe mit kleinstmöglichem Trauma sehr effizient durchzuführen. Dabei muss die Strahlung des Lasers in der minimal invasiven Laserchirurgie in eine medizinische Lasersonde eingekoppelt und zumeist mithilfe eines Katheters zum Ort der Behandlung geführt werden. Mit der Entwicklung von Laserquellen hin zu höheren Ausgangsleistungen, besserer Laserstrahlqualität und stärkerer Fokussierbarkeit ist auch die Entwicklung neuer Lichtwellenleiter notwendig. Im Rahmen eines geförderten ZIM-Projektes wurden neuartige Verfahrensprinzipien zur Herstellung von proximalen Endflächen durch Laserpolieren und die Realisierung unterschiedlicher End-Cap-Formen zur Laserstrahlformung am distalen Faserende entwickelt. Positive Begleiterscheinungen der neuentwickelten Lasertechnologien sind u.a. die Verbesserung der Oberflächenrauheit, der Abbau mechanischer Spannungen an den Endflächen und eine hohe Reproduzierbarkeit.
Laser welding of hidden T-joints, connecting the web-sheet through the face-sheet of the joint can provide advantages like increased lightweight potential in manufacturing sandwich structures with thin-walled cores. However, maintaining the correct positioning of the beam relative to the joint is challenging. A method to reduce the effort of positioning is using optical coherence tomography (OCT), that interferometrically measures the reflection distance inside of the keyhole during laser deep penetration welding. In this study new approaches for targeted data processing of the OCT-signal to automatically detect misalignments are presented. It is shown that considering multiple components from the inference pattern and the respective signal intensities improve the detection accuracy of misalignments.
Over recent years, Maximal Extractable Value (MEV) has gained significant importance within the decentralized finance (DeFi) ecosystem. Remarkably, within just two years of its emergence, MEV has seen an extraction of approximately 600 million USD - a phenomenon that has sparked concerns regarding potential threats to blockchain stability.
With growing interest in the Ethereum network and the growing DeFi sector, research surrounding MEV has substantially increased. This work aims to offer a comprehensive understanding of MEV. Additionally, this research quantifies the largest types of MEV (Arbitrage, Sandwich and Liquidations) from March 2022 to March 2023. The data are then compared to other sources, revealing a general upward trend, with a particularly noticeable increase in Sandwich Attacks.
In the field of Blockchain Technology applications and research, non-fungible tokens (NFTs) have gained significant attention in recent years. Whilst current research is focused on NFT use cases or the purchase of NFTs from an investor’s perspective, the NFT launch (i.e. primary market) from a creator’s perspective remains uncovered. However, the launch strategy is considered to be an important factor for the success of a product. Therefore, our research paper aims to explore launch strategies of NFTs. Thereby, we discuss the marketing mix instruments price (i.e. pricing strategy), place (i.e. mint mechanism), and promotion. Through an empirical approach of conducting eight expert interviews, we examine parameters that are used to define an NFT launch strategy and assess their preference of different stakeholders.
A Systematic Literature Review on Blockchain Oracles: State of Research, Challenges, and Trends
(2023)
To enable data exchange between the Blockchain protocol (on-chain) and the real world (off-chain), e.g., non-Blockchain-based applications and systems, a software called Oracle is used [3]. Blockchain oracle is an important component in the use of off-chain data for on-chain smart contracts. However, there is limited scientific literature available on this important blockchain topic. Therefore, in this paper, a novel systematic literature review based on intelligent methods, e.g., information linking, topic clustering and focus identification through frequency calculations, is proposed. Thus, the current state of scientific research interest, content and challenges, and future research directions for blockchain oracles are identified. This paper shows that there is little unbiased literature that does not call oracles a problem. From the results of this new literature review framework, relevant areas of data handling and verification with blockchain oracles are identified for future research.
Safety, quality, and sustainability concerns have arisen from global supply chains. Stakeholders incur risk regarding these factors, given their significance and complexity. Thus, each business's supply chain risk management must prioritize product characteristics. Accordingly, an effective traceability solution that can monitor and regulate product and supply chain aspects is crucial, especially in a given scenario. This re-search paper elucidates the potential of smart contracts in blockchain to enhancing the efficacy of business transactions and ensuring comprehensive traceability within the supply chain of paper-based coffee cups The improved levels of transaction transparency and security in traditional supply chains have been achieved through the digitization of supply chain ecosystem interactions and transactions. This approach makes verifying sources, manufacturing procedures, and quality standards easier in complex supply chains. Accordingly, the integration helps stakeholders monitor and track the whole ecosystem, promoting transparency, predictability, and dependability.
In the swiftly changing world of academic publishing, the Sea of Wisdom platform seizes the opportunity to innovate. By combining the technologies of blockchain, decentralized finance (DeFi), and Non-Fungible Tokens (NFTs) with traditional scholarly communication, we present a groundbreaking, decentralized solution. Our design, although adaptable, primarily uses Ethereum's Virtual Machine, tapping into its robust scientific community.
This desk research will initiate an exploration of present and potential blockchain applications in the higher education sector of Europe. The aim of this research is to create a theoretical base for a further postgraduate research and analysis, so to create an effective model/framework to augment the integration of blockchain technology into existing organizational processes, initially in higher educational institutions, but which may be adaptable and generalizable to other specific uses. Due to the novelty of the topic, academic resources related to the research area are limited. Most studies seem to focus on blockchain-based applications in industries such as finance, healthcare, and supply chain management, and there is little evidence of the impact of blockchain technology on education. This paper discusses present and suggests some potential blockchain-based applications in education in Europe and beyond. This research provides a groundwork for education and academia stakeholders, policymakers and researchers to exploit the potential of blockchain in different functions of an education system.
Currently, the Internet of Things (IoT) is connected to the virtual world through the Web of Things (WoT), allowing efficient utilization of real-world objects with Internet technologies. The WoT facilitates abstract interaction between applications and connected IoT devices, allowing owners to switch between devices while using multiple ones. To achieve this, virtual assets in WoT devices can be tokenized through smart contracts and transferred using hashed proof as transactions within blockchain networks that support virtual currencies. The goal of Web of Things is to establish connectivity, interoperability, and integration among IoT devices using web standards and protocols, reducing reliance on device manufacturers. This enables easy integration of Web 3.0 cryptocurrency for device management. This study proposes a solution for WoT applications involving different cryptocurrency definitions. Finally, simulation results are presented to demonstrate the tokenization-based ownership transfer in the Web of Things.