Determination of optimum process parameters for different Ti-6Al-4V powders processed by Laser-based Powder Bed Fusion

The PBF-LB (laser-based powder bed fusion) process is subject to a large number of variables, including the characteristics of the processed powder. Since a powder with a given specification can be supplied by various powder manufacturers, the transferability of optimized parameter settings and statistical processing models is of major interest. This work therefore investigates the processing windows of two Ti-6Al-4V powders supplied by different manufacturers following the Design of Experiments (DoE) approach. The fitted regression models for porosity and roughness demonstrate a significant influence of the powder and its size distribution. Further, the powder type significantly interacts with laser power, scanning speed and hatch spacing. It is shown that an increase of the powder size distribution quantiles by less than 10 µm leads to a shift of optimum settings towards a higher volume energy density by 6.4 J/mm3 as well as to higher roughness on the top and side surfaces

Influence of the laser position in laser-assisted WAAM process on weld bead shape and surface properties

The lateral use of the laser in laser-assisted WAAM processes, resulting in a directional dependence, can influence the bead shape and the bead surface. The influence of the laser position on the weld bead is investigated. Beads with different laser positions are applied and the height and width as well as the waviness of the beads are evaluated. In addition, claddings are welded and the waviness is measured. The waviness along the beads ranges from 8.77 to 34.66 µm, and no significant correlation with the welding direction could be determined. For the bead shape, the differences in height range from 3.54 to 3.90 mm and in width from 8.20 to 8.89 mm. Based on the results, a dependence on the laser position for surface properties and weld bead shape becomes clear

Development of a Laser Double-wire Directed Energy Deposition Process for Functionally Graded Materials and In-situ alloying

Development of a Laser Double-wire Directed Energy Deposition process (LD-DED). Utilizing high material efficiency of the laser wire process for multi-material additive manufacturing. Enabling omnidirectional wire based build up of in-situ fabricated alloys and Functionally Graded Material

Der Einfluss von Kleinhirnläsionen auf das motorische Sequenzlernen

Das Erlernen neuer motorischer Fähigkeiten ist ein komplexer Vorgang und bedarf einem koordinierten Zusammenspiel verschiedener kortikaler und subkortikaler Hirnstrukturen. Als wichtige Integrationszentrale somatosensorischer und motorischer Signale ist das Kleinhirn neben der Ausführung von zielgerichteten Bewegungen auch am Prozess des motorischen Lernens beteiligt. Obwohl die Rolle des Kleinhirns für das motorische Lernen bereits in vielen Studien untersucht wurde, unterscheiden sich die Ergebnisse im Hinblick auf das motorische Sequenzlernen. Das Ziel der durchgeführten Arbeit war es, den Einfluss von Kleinhirninfarkten auf das explizite motorische Sequenzlernen zu untersuchen. Hierfür wurden die Verhaltensdaten von Patienten mit einem Kleinhirninfarkt hinsichtlich ihrer Performanz sowie ihrer Fähigkeit zum Erlernen und Konsolidieren einer motorischen Aufgabe mit einer gesunden Kontrollgruppe verglichen. Weiterhin wurden die Ergebnisse der Infarktpatienten bezüglich topographischer Läsionsunterschiede ausgewertet, um etwaige funktionelle Lateralisierungen aufzudecken. Mittels Korrelationsanalysen sollten außerdem Zusammenhänge zwischen den Verhaltensdaten der Studienteilnehmer und den Auswirkungen von Alter, Infarktgröße und dem Zeitintervall zwischen dem Schlaganfall und der Studienteilnahme dargestellt werden. Für die vorliegende Studie wurden 23 Kleinhirninfarktpatienten im Alter von 20 bis 80 Jahren und 23 alters- und geschlechtsbalancierte Kontrollprobanden eingeschlossen. Die Testpersonen mussten auf einer Tastatur eine fünfstellige Sequenz möglichst schnell und fehlerfrei tippen. Das Experiment umfasste zwei Testtage, um beide Hände separat zu untersuchen. Die Teilnehmer wurden jeweils am Morgen (Training) und acht Stunden später am Abend (Retest) getestet. Analysiert wurden zum einen die motorische Performanz, welche anhand der Fehleranzahl und der Geschwindigkeit errechnet wurde. Zum anderen wurde das Lernverhalten anhand der relativen Performanz-Veränderungen in den Trainings- und Retestblöcken erfasst (online Lernen). Das Verhältnis zwischen der Performanz im ersten Block des Retests und dem erreichten Performanz-Niveau am Ende des Trainings (Mittelwert Block 11-14) diente als Kennzahl für die Konsolidierung der motorischen Aufgabe (offline Lernen). Die multivariaten Varianzanalysen konnten zeigen, dass die Schlaganfallpatienten eine statistisch signifikant geringere Performanz verglichen mit der Kontrollgruppe erreichten. Ungeachtet dessen ergaben sich zwischen Patienten und Kontrollprobanden keine Unterschiede für das online und offline Lernen (Konsolidieren). Weiterhin konnten weder Unterschiede für die motorische Performanz noch für das online und offline Lernen zwischen der Ausführung der motorischen Aufgabe mit der ipsiläsionalen und kontraläsionalen Hand gefunden werden. Anhand der Korrelationsanalysen wurde ein signifikant negativer Zusammenhang zwischen der Performanz und dem Alter für die Patienten- und Kontrollgruppe dargestellt. Darüber hinaus resultierten signifikant negative Korrelationen für das Alter beider Gruppen und der Fähigkeit zur Konsolidierung der motorischen Aufgabe. Weder für die Betrachtung des Läsionsvolumens noch des Zeitintervalls zwischen dem Schlaganfall und der Studienteilnahme ergaben sich signifikante Zusammenhänge. Anhand der Ergebnisse der Studie kann entweder geschlussfolgert werden, dass die schlaganfallbedingten Funktionsverluste für das Erlernen und Konsolidieren von motorischen Fähigkeiten im Kleinhirn durch andere Hirnbereiche kompensiert wurden; oder dass das Kleinhirn nur eine untergeordnete Rolle beim expliziten motorischen Sequenzlernen einnimmt. Zudem liefert die Studie keine Hinweise darauf, dass im Kleinhirn eine Lateralisierung von Funktionen für das explizite motorische Sequenzlernen vorliegt.:1 Einführung 1.1 Aufbau und Funktionsweise des Kleinhirns 1.2 Das Kleinhirn als Ort neuronaler Plastizität 1.3 Effekte einer nicht-invasiven Kleinhirnstimulation 1.4 Die Grundlagen des motorischen Lernens 1.5 Die Rolle des Kleinhirns für das motorische Sequenzlernen 1.6 Rationale der durchgeführten Studie 2 Wissenschaftliche Publikation 3 Zusammenfassung 4 Literaturverzeichnis Anlage

Weakening of thick steel plates by laser radiation for the removal of hazardous substances

Hazardous substances such as unexploded ordnance represent a serious threat. It is necessary to develop new methods and equipment for their elimination. For this reason, a laser ablation process is developed where the shell of the objects are weakened in a defined manner to reduce the threat to the environment. This article shows how 25 mm thick steel sheets can be weakened with ablation rates of more than 3000 mm3/min and achieved ablation depths of more than 15 mm by means of an adapted process strategy and an off-axis process gas control. Despite the high incoming process energy, it is ensured that there is no danger to affect the hazardous substances. A critical temperature of 300 °C is not exceeded at the rear surface of the sheet metal

Residual oxygen content and powder recycling: effects on microstructure and mechanical properties of additively manufactured Ti-6Al-4V parts

The laser-based powder bed fusion of metals (PBF-LB/M) offers a variety of advantages over conventional processing techniques and the possibility to recycle and reuse powder increases its sustainability. However, the process and resulting part properties are influenced by a variety of factors including powder recycling grade and residual oxygen content of the process atmosphere. Especially in terms of reactive materials like Ti-6Al-4V, oxidation during processing and recycling determines process stability and reproducibility. This work therefore focusses on the influence of the conventionally varied processing parameters as well as atmosphere residual oxygen content process and powder recycling on the microstructure and mechanical properties. For this purpose, the design of experiments approach is used and by evaluation of regression models, effect sizes and interactions are given. Additionally, two different etching techniques were employed to reveal different aspects of the microstructure. While no significant influence of powder recycling and residual oxygen on the microstructure could be observed, they both significantly influence the mechanical properties. A maximum hardness of 470 HV0.1, a maximum ultimate tensile strength of 1252.3 MPa, and a maximum elongation at break of 17.8 % were obtained. The results demonstrate the importance of the processing atmosphere’s residual oxygen content and of taking into account the changing powder characteristics during recycling as well as its effect on the part properties

Discoloration of AISI 420 stainless steel in dependence of inter layer time during Laser-based Powder Bed Fusion

Parts built by laser-based powder bed fusion (PBF-LB) experience intervals of heating and cooling during the powder deposition and the selective melting of successive layers. Short time intervals of cooling can lead to heat accumulation resulting in discoloration of AISI 420 (X20Cr13) stainless steel parts. Discoloration occurs due to the formation of oxide layers, which negatively affect the corrosion resistance. This process is determined by the time-dependent influence of temperature and oxygen. Therefore, this study investigates effects of varied inter layer time on mechanical PBF-LB part properties and surface characteristics to prevent discoloration. EDX is used to analyze the chemical composition with regard to the chromium content as an indicator of reduced corrosion resistance. The results emphasize the need for implementing an minimum inter layer time greater than 12 s to prevent discoloration during the PBF-LB process with a layer thickness of 20 µm and a volume energy density of 113.3 J/mm

Optical tweezers combined with fluorescence microscopy and a heating laser for the study of model lipid bilayer systems and membrane proteins

In the past decades, optical tweezers have been an exquisite tool to study a variety of molecular machines. By studying mechanical properties of these biomolecules, it has been possible gain new insights into a range of biophysical questions regarding, for example, microtubule dynamics, the stepping behaviour of motor proteins, DNA mechanics, as well as, membrane remodelling. Membrane remodelling is important for many essential cellular processes such as cell division, vesicular transport of cargo, formation of lopodia and fission and fusion of the mitochondrial network. A cell's plasma membrane encloses the cytosol and defines its boundary to the extracellular environment. Any interaction between the cell and the environment is mediated either by membrane transport proteins or a change of membrane shape resulting, for instance, in an exchange of cargo via endo- or exocytosis. Deformations in the shape of the whole cell are predominately mediated by the cytoskeleton, whereas deformations during endo- and exocytosis are mediated by a shape change of the plasma membrane and its associated proteins. To regulate these mechanisms of membrane transport and deformation, cells developed several fundamental processes. One such essential process is the intracellular transport of membrane proteins or soluble components via vesicles. These vesicles form out of a at membrane and initially remain in contact with the original membrane through a tether. This reshaping of a membrane has been studied with a variety of in vitro membrane systems such as giant unilamellar vesicles utilizing optical tweezers. How an individual protein or oligomer induces this membrane deformation remains poorly understood. To study the mechanics of membrane remodeling, I established an in vitro assay of a reconstituted hemispherical giant unilamellar vesicle. In the experiment, a membrane tether is pulled out of a vesicle and interactions with membrane associated proteins can be observed. Here, dynamin related protein 1 (DRP1) was shown to sever membrane tethers after diffusion on the model membrane system. To perform these experiments, I developed an optical tweezers system that is capable of simultaneous force and uorescence measurements. The system is further equipped with simultaneous interference reection microscopy and a heating laser that can locally increase the temperature, for example, to adjust the membrane tension of vesicles. Furthermore, a novel vibration isolation system and advanced temperature control minimized mechanical noise and thermal drift, respectively. The novel, custom-built microscope with single-molecule sensitivity allows to correlate membrane deformation with the presence of individual proteins or oligomers. In the long-term, such experiments will provide a better understanding of how proteins deform membranes to fullfill their cellular functions.In den letzten Jahrzehnten haben sich optische Pinzetten als ein hervorragendes Werkzeug zur Untersuchung einer Vielzahl molekularer Maschinen etabliert. Durch die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften dieser Biomoleküle konnten neue Einblicke in eine Reihe von biophysikalischen Fragen ermöglicht werden, z.B. in Bezug auf die Mikrotubulusdynamik, das Schrittverhalten von Motorproteinen, die DNA-Mechanik sowie die Membranremodellierung. Die Remodellierung der Membran ist wichtig für viele wesentliche zelluläre Prozesse wie die Zellteilung, den Transport von Vesikeln, die Bildung von Filopodien oder das Abspalten und Fusionieren des mitochondrialen Netzwerks. Die Plasmamembran einer Zelle umschließt das Cytosol und definiert dessen Grenze zur extrazellulären Umgebung. Wechselwirkungen zwischen Zelle und Umwelt wird entweder durch Membrantransportproteine oder eine Veränderung der Membranform vermittelt z.B. durch Materialaustausch der Endo- oder Exozytose. Deformationen der Form der gesamten Zelle werden überwiegend durch das Zytoskelett vermittelt, wohingegen Deformationen während der Endo- und Exozytose durch eine Formänderungen der Plasmamembran und der damit verbundenen Proteine vermittelt werden. Um diese Mechanismen des Membrantransports und der Deformation zu kontrollieren, entwickelten die Zellen mehrere grundlegende Prozesse. Einer dieser essentiellen Prozesse ist der intrazelluläre Transport von Membranproteinen oder löslichen Komponenten über Vesikel. Diese Vesikel bilden sich aus einer flachen Membran und bleiben anfangs durch einen Membrantubus mit der ursprünglichen Membran in Kontakt. Diese Umformung einer Membran wurde mit einer Vielzahl von in vitro Membransystemen wie z.B. riesigen unilamellaren Vesikeln unter Verwendung einer optischen Pinzette untersucht. Wie ein einzelnes Protein oder Oligomer diese Membranverformung hervorruft, ist bisher nur unzureichend bekannt. Um die Mechanismen der Membranremodelierung zu untersuchen, habe ich ein in vitro Experiment für ein rekonstituiertes unilamellares Riesenvesikel in Form einer Halbkugel durchgeführt. In diesem Experiment wird ein Membrantubus aus dem Vesikel herausgezogen und Wechselwirkungen von dem Tubus mit membranassoziierten Proteinen können beobachtet werden. Ich konnte zeigen, dass Dynamin-Related Protein 1 (DRP1) nach Diffusion auf dem Modellmembransystem den Membrantubus trennen kann. Dieser Prozess ist für die Teilung von Mitochondrien und deren Instandthaltung wichtig. Um solche Experimente durchführen zu können, habe ich einen neuen experimentellen Aufbau entwickelt basierend auf einer optischen Pinzette, bei welchem gleichzeitige Kraft- und Fluoreszenzmessungen durchführbar sind. Das System ist weiterhin mit einem Interferenzreflexionsmikroskop und einem Heizlaser ausgestattet. Alle Methoden können simultan benutzt werden. Der Heizlaser kann die Temperatur lokal erhöhen, um beispielsweise die Membranspannung von Vesikeln einzustellen. Darüber hinaus haben ein neuartiges Vibrationsisolationssystem und eine sehr stabile Temperaturregelung mechanische Schwingungen bzw. thermische Drift des Systems minimiert. Dieses neuartige maßgeschneiderte Mikroskop, welches Einzelmolekülempindlichkeit hat, ermöglicht gleichzeitig die mechanische Membranverformung und die Lokalisisation einzelner Proteine oder Oligomere zu messen. Langfristig werden solche Experimente ein besseres Verständnis dafür liefern wie Proteine Membranen, deformieren um ihrer Zellfunktionen zu genügen

Laser-based powder bed fusion of Ti-6Al-4V structures with different surface-area-to-volume ratios in oxygen-reduced and oxygen-free environment

Titanium alloys, such as Ti-6Al-4V, are particularly susceptible to oxidation, which is why their processing in the laser-based powder bed fusion process is carried out conventionally in a protective gas atmosphere. However, this atmosphere still contains critical residual oxygen levels, which are to be eliminated as part of a new approach. This approach envisages doping the argon protective gas atmosphere with small amounts of the highly reactive gas silane (ratio < 1:1000). The residual oxygen content is particularly critical in filigree and thin-walled structures that have a high surface-area-to-volume ratio and are a typical field of application for this additive manufacturing process. Therefore, this work focuses on the manufacturing of Ti-6Al-4V structures with different surface-area-to-volume ratios in conventional argon (< 200 ppm residual oxygen) and argon-silane atmospheres (< 10-14 ppm residual oxygen) on an innovative laboratory machine. After processing, the specimens are analyzed for surface topography, microstructure, and Vickers hardness. In addition, energy-dispersive X-ray spectroscopy and X-ray diffraction measurements are carried out to further investigate the chemical composition and present phases in the as-built specimens. The influence of the different atmospheres and their residual oxygen content, the surface-to-volume ratio, and possible interactions between them are discussed