https://opendata.uni-halle.de//handle/541532/3153 Sat, 15 Aug 2026 10:02:12 GMT 2026-08-15T10:02:12Z https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/126205 Title: Study and spectroscopic monitoring of molten pool emission during laser-metal additive manufacturing Author(s): Pignatelli, Giuseppe Abstract: Additive Manufacturing (AM) has transformed production by enabling the creation of new items starting from a software blueprint, greatly simplifying prototyping. Among the various AM techniques, Direct Energy Deposition (DED) prints metal parts from powder using a focused laser, allowing the fabrication of pieces with geometries otherwise unattainable. However, commercially ready printed components must meet the same quality and reliability standards as those made with traditional methods, which is not yet guaranteed and limits wider AM adoption. In DED, a high-power laser interacts with a base plate to form a molten pool, where a constant powder flow is then directed. This complex interaction can generate surface and bulk defects in the printed items, such as pores and inclusions. Improving DED reliability requires a deeper understanding of molten pool dynamics and effective online monitoring to optimize process parameters and detect defects as they form. This work presents an optical setup based on compact UV-Vis and NIR spectrometers mounted on the laser head and capable of recording molten pool emission during deposition. The spectra show no plasma features, indicating purely thermal emission, from which the molten pool temperature is computed. Additional metrics, like integrated emitted intensity and a correlation coefficient linking online signals to a reference library, are also calculated from the emission spectra. The molten pool is then studied under different processing conditions, both individually and grouped through combined parameters such as laser energy density, looking for a link between emission and deposition settings. Defect studies in AM are hindered by the lack of standardization. To address this, a modified steel plate with machined grooves and holes of known size and position is used as a printing substrate, providing a standardised source of defects. The recorded optical emission demonstrates that the setup can detect void-like defects down to 1 mm in diameter and track their evolution within the printed material. Finally, a simplified thermal model simulates a laser scanning a metal substrate with an uneven surface. Various defect types and a thermally emitting molten pool are included, along with a realistic light-collection geometry. The simulated emission is processed using the same metrics applied experimentally, and the two sets of results show good agreement for comparable artificial defects. This confirms that simplified numerical simulations can complement, and partly replace, experimental studies in analysing metal AM processes.; Die additive Fertigung (AM) hat die Produktion revolutioniert, indem sie die Herstellung neuer Produkte auf Basis eines Software-Entwurfs ermöglicht und damit die Prototypenentwicklung erheblich vereinfacht. Direct Energy Deposition (DED) ist eine der AM-Techniken, bei der, unter Verwendung eines fokussierten Lasers, Metallteile aus Pulver gedruckt werden. Dies ermöglicht die Herstellung von Komponenten mit ansonsten unerreichbaren Geometrien. Kommerziell einsetzbare gedruckte Komponenten müssen jedoch dieselben Qualitäts- und Zuverlässigkeitsstandards erfüllen wie solche, die mit traditionellen Methoden hergestellt wurden, was noch nicht garantiert ist und eine breitere Einführung von AM einschränkt. Bei der DED-Methode interagiert ein Hochleistungslaser mit einer Grundplatte, um ein Schmelzbad zu bilden, in welches ein konstanter Pulverfluss geleitet wird. Diese komplexe Interaktion kann zu Oberflächen- und Volumenfehlern in den gedruckten Gegenständen führen, wie z. B. Poren und Einschlüssen. Um die Zuverlässigkeit der DED zu verbessern, ist ein tieferes Verständnis der Dynamik des Schmelzbads und eine effektive Online-Überwachung erforderlich, um die Prozessparameter zu optimieren und Fehler zu erkennen, sobald sie entstehen. Diese Arbeit stellt ein optisches Setup vor, welches auf kompakten UV-Vis- und NIR-Spektrometern basiert, die auf dem Laserkopf montiert sind und die Emission des Schmelzbades während der Abscheidung aufzeichnen können. Die Spektren zeigen keine Plasmaeigenschaften, was auf eine rein thermische Emission hindeutet, aus der die Temperatur des Schmelzbades berechnet wird. Zusätzliche Messgrößen, wie die integrierte Emissionsintensität und ein Korrelationskoeffizient, der Online-Signale mit einer Referenzbibliothek verknüpft, werden ebenfalls aus den Emissionsspektren berechnet. Das Schmelzbad wird dann unter verschiedenen Prozessbedingungen untersucht, sowohl einzeln als auch gruppiert durch kombinierte Parameter wie die Laserenergiedichte, um einen Zusammenhang zwischen Emission und Abscheidungseinstellungen zu finden. Durch die mangelnde Standardisierung in der additiven Fertigung wurden bisher kaum Studien zu prozessualen Defekten durchgeführt. Um diesem Problem zu begegnen, wird eine modifizierte Stahlplatte mit maschinell gefertigten Rillen und Löchern bekannter Größe und Position als Drucksubstrat verwendet, das eine standardisierte Quelle für Defekte darstellt. Die aufgezeichnete optische Emission zeigt, dass durch den experimentellen Aufbau hohlraumartige Defekte mit einem Durchmesser von bis zu 1 mm erkennen und deren Entwicklung innerhalb des gedruckten Materials verfolgen kann. Schließlich simuliert ein vereinfachtes thermisches Modell einen Laser, der ein Metallsubstrat mit unebener Oberfläche abtastet. Dabei werden verschiedene Fehlertypen und ein thermisch emittierendes Schmelzbad sowie eine realistische Lichtabfanggeometrie berücksichtigt. Die simulierte Emission wird unter Verwendung derselben Metriken verarbeitet, die auch experimentell angewendet wurden. Beide Ergebnissätze zeigen eine gute Übereinstimmung für vergleichbare künstliche Fehler. Dies bestätigt, dass vereinfachte numerische Simulationen experimentelle Studien bei der Analyse von Metall-AM-Prozessen ergänzen und teilweise ersetzen können. Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/126205 2026-01-01T00:00:00Z https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/126080 Title: Simulating hydrodynamic bearings with the scaled boundary finite element method Author(s): Pfeil, Simon Abstract: Predicting the dynamic behavior of rotor systems with hydrodynamic bearings requires a careful consideration of the nonlinear fluid-structure interaction. This is accomplished by transient rotordynamic simulations relying on time-integration schemes and incorporating the Reynolds equation to account for the hydrodynamic forces. Solving the Reynolds equation numerically at every time step entails a considerable computational effort, but faster approaches based on simplified analytical models or on database methods often do not provide the desired accuracy. In the work at hand, a semi-analytical solution based on the scaled boundary finite element method (SBFEM) is proposed as an alternative, aiming to achieve a fast but accurate computation. The pressure field is discretized along the circumferential coordinate, while the axial direction is treated analytically. Several algorithms, using different cavitation assumptions, are presented and verified. The developed approach is applied in transient simulations of exemplary rotor-bearing systems and is compared to standard numerical models.; Die rechnerische Vorhersage des dynamischen Verhaltens gleitgelagerter Rotoren bedarf der Berücksichtigung transienter, nichtlinearer Fluid-Struktur-Interaktionen. Hierzu muss die Berechnung der Lagerkräfte, welche durch Lösung der Reynoldsgleichung erfolgt, in Zeitschrittverfahren eingebettet werden. Im Fall numerischer Lösungen ist der rechentechnische Gesamtaufwand erheblich, während weniger aufwendige Methoden (Kennfelder, analytische Approximationen) der geforderten Genauigkeit nicht genügen. Die vorliegende Arbeit erzielt eine schnelle und dennoch genaue Berechnung anhand einer semi-analytischen Lösung der Reynoldsgleichung, welche auf der scaled boundary finite element method (SBFEM) beruht. Hierfür wird die Druckverteilung entlang der Umfangskoordinate diskretisiert, in axialer Richtung jedoch analytisch ausgedrückt. Die Arbeit stellt mehrere Algorithmen vor, die sich unter anderem in Bezug auf ihre Kavitationsannahmen unterscheiden. Die entwickelte Methodik wird in transienten Simulationen exemplarischer Systeme getestet und mit etablierten numerischen Lösungen verglichen. Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/126080 2026-01-01T00:00:00Z https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/125835 Title: Exploration of novel Ta-Nb-Ti based multi-component alloys for biomedical applications Author(s): Regenberg, Maximilian Abstract: Biomedical high-entropy alloys (bio-HEAs) represent a promising class of materials for biomedical applications due to their combination of excellent biocompatibility, corrosion resistance, and distinctive mechanical properties. However, owing to their typically complex compositions it is difficult to assign specific properties to specific elemental components – and thus to make comprehensible adjustments. The aim of this work is to address this challenge by examining a simplified ternary alloy system composed of the biocompatible elements Ta, Nb, and Ti – referred to as TNT-type alloys – across defined compositions and establish a fundamental understanding of the system as a basis for future alloying strategies. The compositions Ta-Nb-xTi (x = 10, 33.3, 50, 70 at. %) were chosen for the examinations to not only analyse the equimolar composition per se, but also to investigate the influence of titanium variations on the alloy properties. Preliminary thermodynamic calculations based on the binary compositions, the principles of HEAs, as well as Ti-alloys were all in good agreement and predicted the theoretical formation of a single-phase microstructure for all compositions. Subsequently, the alloys were synthesised by arc melting, which resulted in pronounced dendritic microstructures. Through a following heat treatment study, the parameters for a complete homogenisation of all compositions and thus single-phase body-centred cubic (bcc) microstructure were obtained. The microstructural evolution was characterised and validated using optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction analysis (XRD) techniques. The characterisation of the samples surfaces by means of confocal microscopy after metallographic preparation yielded comparable (smooth) surfaces to reference samples of pure Ta, Nb and Ti, as well as alloy Ti-6Al-4V (TAV), which was a favourable starting point for the subsequent biocompatibility trials. Moreover, the mechanical properties of the TNT-type alloys were evaluated through hardness testing, room-temperature compression, and 3-point bending on microsamples and compared to the reference alloy TAV. While all alloys showed pronounced plastic deformability, the results indicated a strong correlation between the mechanical characteristics, the Ti-content and the homogenisation conditions. Furthermore, all alloys exhibited greater elastic deformability and lower flexural moduli than the reference alloy, with the equimolar Ta-Nb-Ti composition showing the most balanced combination of hardness, flexural strength and compressive properties. In addition, a biocompatibility assessment consisting of an MM6 inflammatory reaction test and an osteoblast (SaOs-2) attachment and subsequent mineralisation assay was performed, which showed comparable results to the established TAV reference thus indicating no negative influence of the TNT-type alloys on the overall biocompatibility. Furthermore, the antibacterial capacity of the alloys was assessed via E. coli and S. capitis bacteria in vitro, generally demonstrating composition-dependent anti-adhesive properties against both types of bacteria. In a next step, the S. capitis trials were transferred to a G.mellonella larvae model in vivo and the previous results could be confirmed by reduced mortality rate of larvae compared to the reference TAV. Finally, basic electrochemical investigations by means of potentiostatic measurements were performed in order to gain an initial impression of the corrosion behaviour of the TNT-type alloy compositions examined and thus be able to draw conclusions about their biocompatible and anti-adhesive performance.; Biomedizinische Hochentropielegierungen (Bio-HEAs) sind aufgrund ihrer exzellenten Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften eine attraktive Materialklasse für biomedizinische Anwendungen. Die meist komplexen Legierungszusammensetzungen dieser Werkstoffe erschweren jedoch die eindeutige Zuordnung spezifischer Eigenschaften zu einzelnen Legierungselementen und damit eine gezielte Legierungsanpassung. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, an dieser Stelle anzusetzen und ein vereinfachtes ternäres Legierungssystem aus den biokompatiblen Elementen Ta, Nb und Ti (TNT-type Alloys) in definierten Zusammensetzungen zu untersuchen, um ein grundlegendes Verständnis des Legierungssystems zu schaffen, bevor es um weitere Elemente erweitert wird. Die Zusammensetzungen Ta-Nb-xTi (x = 10, 33,3, 50, 70 at. %) wurden gewählt, um nicht nur die äquimolare Zusammensetzung zu analysieren, sondern auch den Einfluss von Ti-Variationen auf die Legierungseigenschaften zu untersuchen. Thermodynamische Berechnungen der Legierungen – basierend auf den binären Systemen, HEA-Prinzipien und Ti-Legierungen – stimmten gut überein und prognostizierten für alle Zusammensetzungen die Bildung einer einphasigen Mikrostruktur. Im Folgenden wurde dies experimentell verifiziert durch eine Synthetisierung der Legierungen mittels Lichtbogenschmelzverfahren. Die ausgeprägten dendritischen Mikrostrukturen nach dem Schmelzprozess konnten durch eine anschließende Wärmebehandlungsstudie erfolgreich in einen vollständig homogenisierten, kubisch-raumzentrierten (krz) Mischkristall überführt werden. Die mikrostrukturelle Entwicklung wurde mittels Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgendiffraktometrie (XRD) charakterisiert und validiert. Die Charakterisierung der TNT-type alloy Probenoberflächen mittels Konfokalmikroskopie nach metallographischer Präparation zeigte vergleichbar glatte Oberflächen zu Referenzproben aus reinem Ta, Nb, Ti sowie der Referenzlegierung Ti-6Al-4V (TAV), was einen günstigen Ausgangspunkt für nachfolgende Biokompatibilitätstests darstellte. Die mechanischen Eigenschaften der TNT-type Alloys wurden durch Härteprüfung, Raumtemperatur-Druckversuche und 3-Punkt-Biegung an Mikroproben evaluiert und mit TAV verglichen. Grundsätzlich zeigten alle Legierungen ausgeprägte plastische Verformbarkeit, wobei die Ergebnisse auf eine starke Korrelation zwischen den mechanischen Kennwerten, dem Ti-gehalt sowie dem Wärmebehandlungszustand schließen ließen. Zudem zeigten alle Legierungen höhere elastische Verformbarkeit und niedrigere Biegemoduln als TAV auf, wobei die equimolare Ta-Nb-Ti-Zusammensetzung die ausgewogenste Kombination von Härte, Biegefestigkeit und Druckeigenschaften aufwies. Die Biokompatibilität der Legierungen wurde mittels MM6-Entzündungsassay und Osteoblasten (SaOs-2) Besiedlungs- und Mineralisationsversuchen untersucht, welche vergleichbare Ergebnisse zur etablierten Referenz TAV lieferten und somit keinen Hinweis auf einen negativen Effekt der TNT-type Alloys geben. Die antibakterielle Kapazität der Legierungen wurde mittels E. coli und S. capitis in vitro untersucht und zeigte generell zusammensetzungsabhängige anti-adhäsive Eigenschaften gegen beide Bakterientypen. Die S. capitis-Versuche wurden auf ein G. mellonella-Larvenmodell in vivo übertragen, wobei die Ergebnisse durch reduzierte Mortalitätsraten im Vergleich zu TAV bestätigt wurden. Abschließend wurden grundlegende elektrochemische Untersuchungen mittels potentiostatischer Messungen durchgeführt, um einen ersten Eindruck vom Korrosionsverhalten der untersuchten Legierungszusammensetzungen zu gewinnen und so Rückschlüsse auf ihre biokompatible und anti-adhäsive Performance ziehen zu können. Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/125835 2026-01-01T00:00:00Z https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/125834 Title: Entwicklung einer Methodik zum Aufbau eines Digitalen Zwillings durch Konzipierung eines Datenauswahlprozesses am Beispiel der additiven Fertigung Author(s): Tieck, Fabian Abstract: Die vorliegende Arbeit untersucht die Grundlagen, die technische Umsetzung sowie methodische Ansätze zur Implementierung von Digitalen Zwillingen inklusive einer effektiven Datenauswahl. Sie beantwortet vier zentrale Forschungsfragen, die ein umfassendes Verständnis des Konzepts und der praktischen Anwendungen ermöglichen. 1. Grundlagen des Digitalen Zwillings: Die Definition des Digitalen Zwillings basiert auf der virtuellen Repräsentation eines Assets. Durch die Analyse von Definitionen und Modellen werden wiederkehrende Bausteine identifiziert wie Dateninhalte und -erzeugung, Asset-Lebenszyklus sowie Datennutzung. 2. Technische Umsetzung: Das IoT-Schichtmodell dient als Struktur zur Realisierung des Digitalen Zwillings. Wesentliche technische und organisatorische Komponenten werden identifiziert und systematisch in einem morphologischen Kasten eingeordnet, um Assets und datenverarbeitende Anwendungen zu kategorisieren. 3. Methodik zur Implementierung: Aufbauend auf Methoden aus Systementwicklung und Projektmanagement wird eine schrittweise Anleitung entwickelt, die Ziele definiert, Datenflüsse gestaltet, technische Infrastruktur integriert und Interaktionen mit realen Assets beschreibt. Anwendungsbeispiele belegen die Praxistauglichkeit und liefern Handlungsempfehlungen. 4. Datenauswahl: Ein innovativer Ansatz, unterstützt durch neuartige Wissensgraphen zur Assetuntersuchung (PAN & PDSG), ermöglicht die Identifikation und Integration effektiv genutzter Daten. Die Ergebnisse bieten eine fundierte Basis für die Weiterentwicklung und Anwendung von Digitalen Zwillingen und leisten einen Beitrag zur Digitalisierung industrieller Prozesse.; This study examines the fundamentals, technical implementation, and methodological approaches for the development including an effective data selection process of Digital Twins. It addresses four key research questions, enabling a comprehensive understanding of the concept and its practical applications. 1. Fundamentals of Digital Twins: The definition of a Digital Twin is based on virtual representations of assets. Through the analysis of definitions and models, recurring components are identified, such as data content and generation, asset lifecycle, and data utilization. 2. Technical Implementation: The IoT layer model serves as the framework for realizing Digital Twins. Essential technical and organizational components are identified and systematically categorized using a morphological box to classify assets and data-driven applications. 3. Methodology for Implementation: Based on methods from system development and project management, a step-by-step guide is developed to define objectives, design data flows, integrate technical infrastructure, and describe interactions with real assets. Application examples confirm the practicality of the approach and provide actionable recommendations. 4. Data Selection: An innovative approach, supported by novel knowledge graphs for asset analysis (PAN & PDSG), facilitates the identification and integration of effectively utilized data. The findings provide a solid foundation for the advancement and application of Digital Twins, contributing significantly to the digitization of industrial processes. Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/125834 2026-01-01T00:00:00Z