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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.
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.
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 %
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.