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Dr.-Ing. Hendrik naatz
Energy levels and Dissolution: two Predictors of Metal oxide nano-Bio Interactions 01.10.2020
The increasing use of synthetic nanomaterials requires reliable predictions of the environ-mental impact of nanoparticles. In this thesis, ‘Energy Levels and Dissolution: Two Predic-tors of Metal Oxide Nano-Bio Interactions’, two key predicPredic-tors of the toxicity of metal oxide nanoparticles are investigated: (1) the energy levels of the electronic band structure and (2) the dissolution behavior. The precise quantification and the specific adaptation of the particle properties through incorporation of foreign atoms are the focus of this thesis.
If the energy levels available in metal oxide nanoparticles, such as the conduction and valence band, overlap with those of the biological environment, cell-damaging reactions can be triggered. For the quantification of the energy levels under environmental experimental conditions, a three-step process for the production of porous nanoparticle electrodes was developed, which enables the electrochemical characterization of nanoparticles in aqueous environments. In the first process step, the nanoparticles are transferred to an electrically conductive electrode substrate using established methods. To prevent any disruptive contri-bution by the electrode substrate, the pores of the nanoparticle layer are filled with a mono-mer in the second process step, which is polymono-merized subsequently. The third process step is a plasma treatment of the nanoparticle-polymer electrode surface to ensure the contact between nanoparticles and the environment, as required for the measurement. With this method the flat band potential of five metal oxide nanomaterials was precisely determined, which is directly related to their energy levels. In relation to the biological environment, the potential hazard of the nanoparticles can be predicted from the measurements.
If nanomaterials dissolve in biological environments, the species which are released play a more important role than the energy levels of the materials. If toxic species are released, the dissolution kinetics in relation to the regulatory mechanisms of the cell determine the fate. Due to their strong dissolution in biological environments, copper oxide and zinc oxide nanoparticles are materials with a high toxicity in cell and animal studies. In both cases, the incorporation of iron (doping) during particle synthesis has led to a significant reduction in dissolution and thus toxicity. In this thesis, the dissolution kinetics of copper oxide nano-particles in abiotic model media were investigated by absorption spectroscopy to identify differences between pure and doped materials. In contrast to the rapid release of pure cop-per oxide, a two-step dissolution process was observed for iron-doped copcop-per oxide. Parti-cle characterization before and after partial dissolution reveals structural changes of the particles and is the basis for the kinetic model developed in this thesis. With the help of the model, structure-release relationships were established and the essential parameters of the dissolution were identified.
Through the model-based modification of the copper oxide dissolution kinetics to the bio-logical environment, the toxicity was used in nanomedicine to specifically attack cancer cells without affecting healthy cells. In combination with immunotherapy, tumors disap-peared completely in the in vivo study. Even where conventional chemotherapy failed due to the development of drug resistances, the approach with nanoparticles was successful.
Dr.-Ing. Stepan Jermolajev
thermomechanische Prozessgrenzen für das Verzahnungsschleifen 13.01.2020
Die Dissertation befasst sich mit der Aufstellung einer thermomechanischen Prozess-grenze für Schleifprozesse, welche auf Grundlagen der Werkstoffphysik beruht. Die ther-momechanische Prozessgrenze wird zuerst theoretisch abgeleitet und nachfolgend mithilfe von Schleifexperimenten validiert. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Anwendung der thermomechanischen Prozessgrenze für die häufigsten Verzahnungsschleifprozesse, das diskontinuierliche Profilschleifen sowie das kontinuierliche Wälzschleifen.
Dr.-Ing. Carla Adriana theis Soares Diehl
Investigationandanalysisofthepre-straighteninginfluencesin
AISI 1045 steel drawn bars 26.05.2020
The drawn bars are the raw material for manufacturing of automotive shafts for presenting high mechanical properties, good dimensional quality and surface finish. The residual stress generated in the manufacturing process can potentially lead to distortion and dimen-sional variations in mechanical components. Process parameters such as pressure and distance between the pre-straightening rollers, material properties, friction between the tool and the workpiece, as well as wire drawing parameters like reducing and die angle, influ-ence the residual stresses induced in the final product. Numerical simulation is a resource-ful tool to evaluate the level of influence of each parameter involved in the process: it does not require the manufacture of prototypes and it eliminates the „try-out“ process which is very common in experimental procedures. The work presented herein mainly aims at investigation and improvement of the pre-straightening influences in the wire drawing pro-cess chain by investigating the behavior of residual stresses generated in the propro-cess of AISI 1045 steel bars. Besides, the variation of process parameters, such as distance of pre-straightening rolls, through numerical simulation and subsequent comparison with results from experimental measurements were performed. The numerical simulations of the pre-straightening process have shown heterogeneous profiles of deformation and, con-sequently, heterogeneous profiles of residual stress at both the surface and in the section of the simulated bars. This heterogeneity of deformation can be noted after drawing on specific areas of the workpiece, and it leads to the conclusion that the deformations are carried from one process to the next one. The changes in the distance of the rolls have shown that the first couple of the horizontal rolls has more significant influence in the distri-bution of stress and strains after wire drawing.
Dr.-Ing. nevaf Ciftci
Cooling strategies for the atomization of glass-forming alloys 26.05.2020
Metallic glasses or bulk metallic glasses are a new class of materials. These amorphous metals have a disordered structure, resulting in outstanding properties when compared to crystalline materials such as high hardness, strength, elasticity, good wear and corrosion resistance, and superior soft magnetic properties. The properties of metallic glasses
© Studioline Photography
be cooled rapidly to avoid crystallization, forcing the melt to retain its liquid atomic struc-ture. The required cooling rates to obtain an amorphous solid are limited by time-depend-ent heat conduction, restricting product dimensions. Geometric limitations can be over-come by powder synthesis and consolidation to introduce metallic glasses to the commercial market. Gas atomization is a promising technique in the commercial produc-tion of metallic glasses, as amorphous particles can be produced due to the high sur-face-to-volume ratio through conduction and radiation.
The aim of this PhD thesis was the development of novel cooling strategies for the atomi-zation of glass-forming alloys to increase cooling rates during droplet solidification. The focus was on the atomization of soft ferromagnetic glass-forming alloys with commercial purity. These alloys are difficult to atomize into an amorphous state due to cooling rate limi-tations and their low glass-forming ability. For this purpose, it was necessary to extend the common process window in gas atomization. This resulted in amorphous particles that nor-mally tend to crystallize during droplet solidification. With the development of novel cooling strategies, new process windows have been made available that are typically inaccessible in conventional gas atomization. Four cooling strategies were developed for the atomiza-tion of glass-forming alloys: (i) increasing the melt superheat temperature, (ii) hot gas atomization, (iii) spray cone cooling, and (iv) liquid quenching. The developed cooling strat-egies were used to decrease potent nucleation sites in the melt to produce smaller parti-cles and to increase the heat transfer coefficient.
Dr.-Ing. Benjamin Kolkwitz
EinflussderthermischenLastaufdasArbeitsergebnisunddieEnergieeffizienz
beim Schleifen 11.08.2020
Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Einfluss der thermischen Last auf das Arbeits-ergebnis und die Energieeffizienz beim Schleifen. Dabei steht die Steigerung der Energie-effizienz von mehrstufigen Schleifprozessen durch eine dynamische Einstellung der Kühl-schmierstoff-Zufuhrbedingungen (Variation des Kühlschmierstoff-Volumenstroms und des Kühlschmierstoff-Düsendesigns sowie Einsatz der Werkzeugreinigung) im Fokus, durch die bei der Schrupp- und Schlichtbearbeitung eine geforderte Prozessleistung/Prozesssi-cherheit im jeweiligen Bearbeitungsschritt mit einem möglichst geringen Energieaufwand bzw. einer möglichst hohen Energieeffizienz erzielt werden kann. Für eine umfassende Bewertung der Kühlschmierstoff-Zufuhrkonzepte für die untersuchten Schleifprozesse im Hinblick auf die Energieeffizienz wird das Modell der spezifischen Energie des Schleifpro-zesses angewendet. So wird eine Methode zur Analyse des Energieeinsatzes erarbeitet, welche auch schleiftechnischen Anwendern eine Prognose über den Energiebedarf für vor-definierte Schleifprozesse und Betriebsszenarien ermöglicht.
Dr.-Ing. Philip Geilert
HocheffizienteKühlschmierstoffzufuhrbeimVerzahnungsschleifen–
EinflussderStrahlcharakteristikaufdenSchleifprozess 28.08.2019
Der Einsatz von Kühlschmierstoffen (KSS) muss als wesentliches Element der Prozessge-staltung beim Schleifen angesehen werden. Gerade bei den Zahnflankenprofilschleifen erschwert die große Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück die effektive Zufuhr
© Lara Oberschmidt (Nabertherm GmbH)
ter Werkzeugverschleiß und verschlechterte Bearbeitungsergebnisse sind mögliche Folgen einer unzureichenden KSS-Zufuhr. Das übergeordnete Ziel der Dissertation war daher, zur Verbesserung des Verständnisses der Wirkzusammenhänge bei der KSS-Zufuhr beim Ver-zahnungsschleifen beizutragen und somit eine Steigerung der Prozesssicherheit und -leis-tung beim Zahnflankenprofilschleifen zu erzielen. Hierzu wurden die Wirkzusammenhänge zwischen der Strömung in der Düse, der Strahlcharakteristik, der Interaktion mit der Schleifscheibe und dem Schleifprozess ermittelt und auf die Strömung in der Düse zurück-geführt. Es wurden KSS-Zufuhrsysteme entwickelt, die unterschiedliche Strahlcharakteris-tiken (Zerwellen bis Zerstäuben) aufweisen. Die ausgelegten KSS-Zufuhrsysteme wurden strömungstechnisch untersucht und in schleiftechnischen Untersuchungen verglichen sowie die Wirkzusammenhänge ermittelt. Hierbei konnten deutliche Unterschiede bei iden-tischen Rahmenbedingungen festgestellt werden, die auf die innere Kontur der Düse zurückzuführen sind. Der ermittelte Wirkungsgrad der verwendeten KSS-Düsen liegt zwi-schen 40 % und 90 %. Allein durch eine optimierte KSS-Zufuhr in Form einer neuen Düse konnte gegenüber der Referenz-KSS-Zufuhr der KSS-Volumenstrom um 78 % und die KSS-Pumpenleistung um 85 % reduziert werden. Zusätzlich konnte hierbei das schleif-brandfrei geschliffene Zerspanvolumen um 20 % gesteigert werden.
Dr.-Ing. Steffen waldeck
UntersuchungderintensivenKühlungvonheißenOberflächenmitWasserstrahlen 11.12.2020
In der vorliegenden Arbeit wird der Prozess des instationären Abkühlens heißer Oberflä-chen von hohen Temperaturen mittels freier Prallstrahlen aus Wasser analysiert und Erkenntnisse bezüglich der thermo- und hydrodynamischen Mechanismen des Strömungs-siedens sowie deren Abhängigkeiten von den Prozessgrößen dargelegt. Hierfür wurde ein gekoppeltes hydro- und thermodynamisches Mehrphasen-Simulationsmodell (M-CFD) ent-wickelt, das den gesamten Abkühlprozess der Strahlkühlung in allen Phasen abbilden kann. Durch die numerische Berechnung wird ein Zugang zu den für den Wärmeübergang entscheidenden Größen möglich, wie der Oberflächentemperatur und dem Wärmestrom.
Diese Größen können in Experimenten nicht direkt erfasst werden. Zur Validierung des Modells werden zwei experimentelle Ansätze eingesetzt. Im ersten wird der Benetzungs-prozess bzw. die Hydrodynamik mit Hilfe einer Highspeed-Kamera analysiert. Das Tracking der Benetzungsfront ist dabei die maßgeblich zu erfassende Größe. Weitere Phänomene, wie das Abspritzverhalten, d. h. der Abspritzwinkel sowie die Größe der Sekundärtropfen wurden untersucht. In der zweiten experimentellen Methode wird die Temperaturverteilung auf der Rückseite von dünnen Platten mit einer Infrarot-Kamera während der Strahlabküh-lung kontinuierlich aufgezeichnet. Die Ergebnisse geben Rückschlüsse auf die thermody-namischen Abläufe und bieten somit eine weitere Größe zur Validierung des Modells. In den experimentellen Versuchen konnte beobachtet werden, dass ein vor dem Auftreffen auf die Platte gestörter Wasserstrahl einen massiven Einfluss auf den Benetzungsprozess hat. Insbesondere inkohärente und stark gestörte Strahlen verzögern den Prozess und senken die Effizienz im Hinblick auf den Massenstrom. Aus der Dimensions-/Modellana-lyse sowie der SensitivitätsanaDimensions-/Modellana-lyse/Parameterstudie gehen die entscheidenden Einfluss-faktoren auf den Kühlprozess hervor, sodass maßstabsunabhängige bzw. entdimensionali-sierte Korrelationen zur Berechnung des Benetzungsprozesses und des lokalen
Wärmeübergangskoeffizienten im Siedebereich erstellt werden konnten. Mit Hilfe der aus der Literatur bekannten Gleichungen zur Bestimmung des Wärmeübergangs im benetzten Bereich kann zu jeder Zeit und an jedem Ort die Wärmeübertragung berechnet werden.
Dr.-Ing. Daniel Sackmann
EinflüsseschleiftechnischmodifizierterRandzonenzuständeaufdasBarkhausen-rauschen unter Variation des werkstoffzustands
31.12.2020
In der vorliegenden Dissertation wird die Charakterisierung schleiftechnisch generierter, thermo-mechanischer Randzonenbeeinflussungen mithilfe des mikromagnetischen Bark-hausenrauschens detailliert untersucht. Dazu werden werkstoffspezifische Einflussgrößen aus der Wärmebehandlung und prozessseitige Einflussfaktoren durch eine Schleifbearbei-tung sowie ihre Wechselwirkungen untereinander analysiert. Ausgehend von dem Stand der Technik und der wissenschaftlichen Kenntnisse werden drei Arbeitshypothesen defi-niert und im Verlauf dieser Arbeit umfassend evaluiert.
Es wird gezeigt, dass unterschiedliche Werkstoffzustände durch eine Überlagerung des spezifischen Randzonenausgangszustands aus der Wärmebehandlung mit der Randzo-nenbeeinflussung während der Schleifbearbeitung in unterschiedlichen Signalhöhen des Barkhausenrauschens resultieren. Demnach ergeben sich in Abhängigkeit des Werkstoff-zustands individuelle Grenzwerte für eine Klassifizierung thermo-mechanischer Randzo-nenbeeinflussungen unterschiedlicher Intensität. Die Untersuchungen veranschaulichen zudem, dass eine mehrstufige Prozessführung aus kombinierter Schrupp- und Schlichtbe-arbeitung zu unterschiedlichen Signalen gegenüber einer reinen SchruppbeSchlichtbe-arbeitung füh-ren kann, sofern auch nach der Schlichtbearbeitung noch Anlasszonen in der Randzone vorliegen. Abschließend wird gezeigt, dass sich unter Variation der Analysierfrequenz in Abhängigkeit des Randzonenzustands eine individuelle Charakteristik im Verlauf des Bark-hausenrauschens ergibt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird eine Strategie zur Klassi-fizierung des Randzonenzustands geschliffener Bauteile entwickelt.
Die in dieser Arbeit generierten Erkenntnisse führen zu einem verbesserten Verständnis des mikromagnetischen Barkhausenrauschens und seiner Einflussgrößen, sodass im industriellen Umfeld zukünftig eine zuverlässigere Charakterisierung schleiftechnisch gene-rierter, thermo-mechanischer Randzonenbeeinflussungen mithilfe des mikromagnetischen Barkhausenrauschens möglich ist.