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Contributions to the development of textured ceramic oxygen-transporting membranes
No full textOxygen transporting-membranes based on mixed ionic-electronic conductors offer a promising possibility for oxygen production through air separation. Currently, perovskite-type membrane materials show the highest oxygen permeability due to their large oxygen vacancy content. However, perovskites such as Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3–δ are susceptible to decomposition in CO2-containing atmospheres, as alkaline earth carbonate layers can form on the membrane surface, blocking the oxygen flow and thus limiting the application prospects of these materials. In contrast, the Ruddlesden–Popper layered oxides Ln2NiO4+δ (Ln = La, Nd, Pr) represent excellent candidates for the development of oxygen-transporting membranes. They are distinguished by a high long-term chemical stability in CO2 and considerable mixed ionic-electronic conductivity. Additionally, these oxides exhibit an anisotropic crystal structure, resulting in faster oxygen diffusion in the crystallographic a,b-plane than along the c-axis. Nevertheless, the oxygen permeability of polycrystalline Ln2NiO4+δ ceramics with random grain orientation is lower than that of the Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3–δ perovskite. This indicates that the full potential of the anisotropic nature of Ln2NiO4+δ for oxygen-transporting membranes has not yet been fully exploited. Therefore, the aim of this work is to specifically regulate and ideally enhance the anisotropic oxygen transport properties of La2NiO4+δ and Nd2NiO4+δ membranes by developing a textured ceramic microstructure. The first texturing approach is based on the use of plate- like La2NiO4+δ particles derived from a molten-flux synthesis, which are subsequently aligned by uniaxial pressing in a powder matrix of the same material. Pressureless sintering led to textured La2NiO4+δ ceramics, where the grains were oriented with their c-axis parallel to the oxygen transport direction, reducing the permeation performance. The subsequent texturing method involved using the anisotropic magnetic properties of Nd2NiO4+δ particles to align them in a magnetic field. This resulted in bulk and asymmetric ceramics with grains oriented such that their a,b-plane was parallel to the permeation direction. The textured materials exhibit excellent oxygen permeation and long-term stability in CO2, making Nd2NiO4+δ particularly attractive for technical applications. The last texturing strategy focuses on using La2NiO4+δ nanorods, derived from a reverse microemulsion synthesis, as building blocks for developing nanostructured ceramics via field-assisted sintering technology/spark plasma sintering. Due to the advantageous crystal faceting in the rod-shaped grains for oxygen transport, the nanorod-derived La2NiO4+δ membranes demonstrate superior oxygen permeation compared to their nanoparticle-based counterparts.Sauerstofftransportmembranen auf der Basis von gemischt ionisch-elektronischen Leitern bieten eine vielversprechende Möglichkeit zur Produktion von Sauerstoff durch Abtrennung aus der Luft. Gegenwärtig zeigen Membranmaterialien vom Perowskit-Typ aufgrund ihres erheblichen Anteils an Sauerstoffvakanzen die höchste Sauerstoffdurchlässigkeit. Allerdings sind Perowskite wie Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3–δ in CO2-haltiger Atmosphäre anfällig für Zersetzung, da sich Erdalkalikarbonatschichten auf der Membranoberfläche bilden können, die den Sauerstofffluss blockieren und somit die Einsatzsperspektiven dieser Materialien einschränken. Im Gegensatz dazu stellen die Ruddlesden–Popper-Schichtoxide Ln2NiO4+δ (Ln = La, Nd, Pr) hervorragende Kandidaten für die Entwicklung von Sauerstofftransportmembranen dar. Sie zeichnen sich durch eine hohe chemische Langzeitstabilität in CO2 und eine beträchtliche gemischt ionisch-elektronische Leitfähigkeit aus. Zudem weisen diese Oxide eine anisotrope Kristallstruktur auf, wodurch in der kristallographischen a,b-Ebene eine schnellere Sauerstoffdiffusion als entlang der c-Achse stattfindet. Die Sauerstoffdurchlässigkeit von polykristallinen Ln2NiO4+δ-Keramiken mit zufälliger Kornorientierung ist jedoch geringer als die des Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3–δ-Perowskites. Dies lässt darauf schließen, dass das volle Potenzial der anisotropen Natur von Ln2NiO4+δ für Sauerstofftransportmembranen noch nicht vollständig ausgeschöpft wurde. Daher ist das Ziel dieser Arbeit, die anisotropen Sauerstofftransporteigenschaften von La2NiO4+δ- und Nd2NiO4+δ-Membranen durch die Entwicklung einer texturierten Mikrostruktur gezielt zu steuern und idealweise zu verbessern. Der erste Texturierungsansatz basiert auf der Verwendung von plattenartigen La2NiO4+δ Partikeln, die aus einer Schmelzflussynthese stammen und anschließend durch einachsiges Pressen in einer Pulvermatrix aus demselben Material ausgerichtet wurden. Druckloses Sintern führte zu texturierten La2NiO4+δ-Keramiken, in denen die Körner mit ihrer c-Achse parallel zur Sauerstofftransportrichtung orientiert waren, was die Permeationsleistung verringerte. Als nächste Texturmethode wurden die anisotropen magnetischen Eigenschaften von Nd2NiO4+δ-Partikeln genutzt, um diese im Magnetfeld auszurichten. Daraus resultierten Bulk- und asymmetrische Keramiken, in denen die Körner so orientiert waren, dass ihre a,b-Ebene parallel zur Permeationsrichtung verlief. Die texturierten Materialien verfügen über exzellente Sauerstoffpermeation und Langzeitstabilität in CO2, was Nd2NiO4+δ für technische Anwendungen besonders attraktiv macht. Die letzte Texturstrategie beruht auf dem Einsatz von La2NiO4+δ-Nanostäbchen aus einer umgekehrten Mikroemulsionssynthese als Bausteine für die Entwicklung nanostrukturierter Keramiken mittels feldunterstützter Sintertechnologie/Funkenplasmasintern. Aufgrund der vorteilhaften Kristallfacettierungen in den stäbchenförmigen Körnern für den Sauerstofftransport weisen die aus Nanostäbchen hergestellten La2NiO4+δ-Membranen überlegene Sauerstoffpermeation im Vergleich zu ihren nanopartikelbasierten Gegenstücken auf
Development Of A Storage Management Model Based On Lean Warehousing: A Case Study In A Peruvian SME In The Maintenance Services Sector
No full textThe maintenance services sector in Peru faces challenges related to inefficient inventory management and logistics operations, affecting service levels. While existing literature explores Lean Warehousing and inventory control techniques, there is limited research on tailored storage management models for small maintenance enterprises in developing economies like Peru. This research addresses this gap by developing a customized storage management model based on Lean Warehousing principles, specifically designed for small enterprises in the Peruvian maintenance sector. The case study implemented tools such as 5S and Kardex systems to optimize warehouse operations. Key results showed a 15% improvement in service level and a reduction of order processing time by 20%. The findings contribute academically by demonstrating the applicability and effectiveness of Lean tools in enhancing operational performance and competitiveness. Socioeconomically, the research supports SMEs in achieving cost reductions and improved service quality. This study calls for further exploration of integrating advanced digitalization techniques in Lean Logistics to enhance efficiency and sustainability in the sector
Generating An Automated Assembly Graph On The Basis Of The 3D-Geometry Of A Product Assembly Group
Get PDFIn an era of globalisation and worldwide competition, it is essential for companies to develop competitive and cost-effective products. To achieve this goal, early selection between different product concepts is crucial. Despite proven methods in product and production system development, the ability to make predictions in the early phases is often insufficient. In particular, the efficient determination of assembly graphs still requires a lot of manual effort, which slows down the process and harbours potential sources of error. Therefore, this paper presents an approach to automatically generate an assembly priority graph based on the 3D geometry of a product assembly in the CAD system
Synthesis of halogenated silvestrol derivatives with antiviral activity and enzymatic studies of unnatural sesquiterpenoids
Get PDFSynthesis of Halogenated Silvestrol Derivatives with Antiviral Activity:
Antiviral drug research has become a critical area of scientific research in the context of emerging viral infections. Global outbreaks such as the COVID-19 and infections of Hepatitis E show the urgent need for effective antiviral therapies to battle emerging and re-emerging viral infections. Due to the ability of viruses to always mutate themselves, broadband antiviral drugs are highly desirable. In this work, the investigation focused on halogen functionalisation of a broad-spectrum antiviral compound class called rocaglates. New halogenated rocaglate derivatives were synthesised according to reported total syntheses, but also optimisations of several step sequences were performed in this work. A total of 13 derivatives were synthesised and submitted for antiviral tests against multiple viruses. Results of these experiments showed the effect of halogen (F, Cl, Br) functionalisation in various positions.
Enzymatic Studies of Unnatural Sesquiterpenoids: Terpene cyclases are known to catalyse cyclisation cascade reactions, which involve not only multiple cyclisations, but also hydride shifts, methyl migration, elimination and water addition. The combinations of different reactions during the cyclisation cascade on different terpene substrates lead to a diverse library of cyclic terpene natural products. This multistep cyclisations by terpene cyclases are notably valuable, as they cannot be performed in the absence of an enzyme.
In this work multiple new farnesyl pyrophosphate derrivatives were synthesised and utilised to observe the substrate flexibility of few selected sesquiterpene cyclases (STCs) and their turnover products by biotransformation experiments. These resulted in multiple cyclised products, in which four of them were produced in larger scale and thoroughly purified for structure characterisation. Upon elucidation, it was observed, that the cyclisation mechanisms of the new products unaligned with the native mechanism, which showed that some STCs has the capacity to adjust their mechanistic pathway according to the properties of the substrate
Data assimilation for integrated subsurface flow problems - dealing with biases and different observation types
Get PDFPredicting water movement through and availability in soil and aquifer systems is essential
for many applications, including agricultural water management, flood prediction, and
groundwater quality assessment. Integrated subsurface flow models consider the whole subsurface as one system by integrating the subsurface compartments of the phreatic zone, which contains groundwater,
and the unsaturated vadose zone.
Subsurface flow models are subject to high uncertainty, often due to unknown parameters
and boundary conditions. Data assimilation estimates the
most probable states (and sometimes also model parameters), given the observations, while
acknowledging model and observation uncertainty. When using the ensemble Kalman filter
(EnKF), one of the most commonly used DA methods for subsurface flow problems, one
assumes that the numerical model yields unbiased estimates. However, subsurface flow
models tend to violate this assumption.
This dissertation investigates the effects of biases on DA with integrated subsurface flow
models and discusses strategies to deal with them. Two ubiquitous causes for biases
in integrated subsurface flow simulation and their implications on DA are investigated:
the smoothing of terrain features and the simplified representation of heterogeneous soil
hydraulic parameters. It is shown that errors due to topographical smoothing can be
anticipated: They commonly result in overestimating the amount of water in the system
(wet bias). This wet bias is compensated in this work by increasing the lateral hydraulic
conductivity, thus allowing for more efficient drainage. Not (or only partly) capturing
soil heterogeneity with the subsurface flow models results in errors that are difficult to
generalize. Such errors are corrected during DA using a bias-aware EnKF, which develops
adaptive bias terms.
The results show that state estimates are most impaired by the biases at locations spatially
distant from where observations are assimilated. Both bias compensation and correction are shown to be suitable measures to notably
improve the range at which the assimilated observations improve estimates within the
integrated subsurface system.
It is further found that
jointly assimilating soil moisture and groundwater table height observations is the best
approach for estimating the average soil moisture within the root zone, which is a state
located between the two observed variables. Groundwater table height observations provide meaningful
information for both the groundwater itself and the deep vadose zone.Vorhersagen von Wasserverfügbarkeit und -flüssen durch Boden- und Aquifersysteme
sind für viele Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Integrierte Untergrundströmungsmodelle betrachten den gesamten Untergrund als ein System, indem sie die beiden Kompartimente der
phreatischen Zone, welche Grundwasser enthält, und der ungesättigten vadosen Zone zusammenfassen.
Untergrundströmungsmodelle sind mit großen Unsicherheiten behaftet, häufig aufgrund
unbekannter Parameter und Randbedingungen.
Bei der Datenassimilation (DA) werden, unter Berücksichtigung der Modell- und Beobachtungsunsicherheit,
die wahrscheinlichsten Zustände (und manchmal auch Modellparameter) anhand
der Beobachtungen geschätzt. Dem Ensemble Kalman Filter, eine der am häufigsten
verwendeten DA Methoden für Untergrundströmungsprobleme, liegt die Annahme zugrunde,
dass die Vorhersagen des numerischen Modells keine systematischen Fehler (Bias)
aufweisen. Diese Annahme wird in der Untergrundströmungsmodellierung jedoch häufig
verletzt.
In dieser Dissertation werden die Auswirkungen von systematischen Fehlern auf die DA
bei integrierten Untergrundströmungsmodellen untersucht und Strategien herausgearbeitet,
um ihnen entgegenzuwirken. Hierzu werden zwei häufige Ursachen für systematische
Fehler, die in integrierten Untergrundströmungssimulationen gemacht werden, und ihre
Auswirkungen auf die DA untersucht: Die Glättung der Topographie und die vereinfachte
Darstellung von heterogenen bodenhydraulischen Parametern. Es wird gezeigt, dass Fehler
aufgrund topographischer Glättung vorhersehbar sind: Sie führen in der Regel dazu,
dass die Wassermenge im System überschätzt wird. Dies wird in dieser Arbeit durch eine
Erhöhung der lateralen hydraulischen Leitfähigkeit kompensiert, wodurch eine effizientere
Entwässerung möglich ist. Wenn die Heterogenität des Bodens vom Modell nicht (oder nur
teilweise) erfasst wird, führt dies zu Fehlern, die schwer zu verallgemeinern sind. Solche
Fehler werden während der DA mit adaptiven Bias-Termen korrigiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass Zustandsvorhersagen an den Orten am stärksten durch die
systematischen Fehler beeinträchtigt werden, die weit von den assimilierten Beobachtungen
entfernt sind. Sowohl die Kompensation als auch die Korrektur der systematischen Fehler erweisen sich als geeignete Maßnahmen,
um den Bereich deutlich zu vergrößern, in dem die DA die Schätzungen innerhalb des
integrierten Untergrundsystems verbessert.
Des Weiteren zeigt sich, dass die gemeinsame Assimilation der Beobachtungen der Bodenfeuchte und der Höhe des
Grundwasserspiegels der beste Ansatz für die Schätzung der mittleren Bodenfeuchte in
der Wurzelzone ist, einem Zustand, der zwischen den beiden beobachteten Variablen liegt.
Beobachtungen der Grundwasserspiegelhöhe liefern aussagekräftige Informationen sowohl für
das Grundwasser selbst als auch für die tiefe vadose Zone
A Qualitative Study On Time Expanding Effects In The Tactical Planning Phase Of Manual Workstation In Multi-Model Lines
Get PDFThe variance that can be seen in manual assembly lines is characterized, for example, by different processing times for the variants. This variance results in time expanding effects that cannot be compensated by an optional sequence up to batch size 1 in multi-model lines. Furthermore, it is not possible to apply the drifting of employees to neighbouring stations. To counter this restriction, assembly structures are necessary in the early, tactical phase of planning (approx. 2 years before start of production) that allow many degrees of freedom in the further fine-tuning regarding organization and scheduling. This study addresses this issue by developing a guideline for planning assembly structure concepts that can be used in industrial practice for planning multi-model lines. The planning results of the aggregated production program planning and the work analysis (assembly priority graph and time analysis) are assumed as known input variables for this study. The resulting guideline contains a practical approach that is suitable for creating concepts for assembly structures in a team within a workshop. To this end, influencing factors and fields of action in planning are provided to reduce time expanding effects with advantages and disadvantages known in science. These are used within a morphological method kit to create a concept for assembly structures. Finally, the concepts are outlined and qualitatively evaluated
Ein Modell zur Vorhersage des Einflusses von Vorscherungen und Hydratationsprozessen auf die rheologischen Eigenschaften von Zementsuspensionen
Get PDFDas Fließverhalten von Frischbeton wird besonders durch die rheologischen Eigenschaften der darin enthaltenen Zementsuspension gesteuert. Deren Fließeigenschaften spiegeln sich in makroskopischen Kennwerten – z.B. die dynamische Viskosität – wider und werden durch die mikroskopische Suspensionsstruktur – vorhandenes Partikelinventar sowie agierende Partikelwechselwirkungen geprägt. Das Fließverhalten von Zementsuspensionen ändert sich sowohl mit der Zeit als auch infolge einer mechanischen Beanspruchung, was die Vorhersage der Frischbetoneigenschaften stark erschwert. Als ursächlich hierfür werden physikalisch bedingte Agglomerations- und Dispersionsprozesse sowie chemisch bedingte Lösungs- und Fällungsreaktionen angesehen. In der vorliegenden Arbeit wird das rheologische Verhalten von Zementsuspensionen unter hoher und niedriger Scherbeanspruchung untersucht, um ein Modell zur Vorhersage des Einflusses von Vorscherungen und Hydratationsprozessen auf die Thixotropie von Zementsuspensionen ableiten zu können. Die Quantifizierung der Fließeigenschaften erfolgt anhand der Abhängigkeiten und zeitlichen Entwicklung der dynamischen Viskosität, die in diesem Kontext als Bewertungskriterium der Suspensionsstruktur dient. Diese Arbeit ermöglicht eine Vorhersage des Fließverhaltens von Zementsuspensionen in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Schergeschichte, ihrer Hydratationsstadien sowie weiterer komplexer Einflüsse.
Nach einer grundlegenden Literaturrecherche wurden die Einflüsse auf das Strukturverhalten – Strukturbruch als Folge von Dispersionsprozessen sowie Strukturaufbau durch Agglomerationsprozesse – von Zementsuspensionen in einem umfangreichen rheologischen Untersuchungsprogramm analysiert. Der Fokus dieses experimentellen Teilziels lag auf den Auswirkungen unterschiedlicher Vorscherungen und variierender Hydratationsprozesse auf die rheologischen Eigenschaften von Zementsuspensionen. Die Ergebnisse belegen, dass eine geringe Intensität der Vorscherung, fortgeschrittene Hydratationsprozesse, höhere Feststoffphasengehalte und längere Dauer unterkritischer Belastung eine Strukturzunahme begünstigen. Dementgegen liegt bei hoher Vorscherung, Fließmittelzugabe und Änderung der Deformationsrichtung eine höhere Fließfähigkeit vor. Die zuvor genannten Einflüsse gelten sowohl für scherinduzierte als auch für vibrationsinduzierte Belastungen. Zur Bewertung von vibrationsinduzierten Einflüssen wurde ein Umrechnungsschema rheologischer Daten von rotations- zu vibrationsinduzierter Deformation abgeleitet und so eine Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Einwirkungsmethoden ermöglicht.
Die diesem Verhalten zugrundeliegenden mikrostrukturellen Fließmechanismen wurden mittels der Tomo-Rheoskopie-Methode untersucht und zeigen bei einer Scherung die Separation des Scherspaltbereiches in eine Scherlokalisierungszone mit hoher Bewegungsgeschwindigkeit und einer Ruhezone ohne erkenntliche Bewegung. Zwischen beiden Zonen entsteht durch scherinduzierte Partikelmigration eine lokale wasserreiche, partikelarme Gleitschicht. Die Ausprägung dieser Gleitschicht ist von der Scherrate sowie der Suspensionszusammensetzung abhängig. Eine Beeinflussung der Fließeigenschaften während einer Belastungsphase durch die mechanische Separation des Scherspaltbereichs mittels Gleitschicht wurde nachgewiesen. Der Übergang zu einer unterkritischen Scherung belegt eine zeitabhängige partielle Rückbildung der Gleitschicht, die den Strukturanstieg in der Erholungsphase steuert. Ergänzend zeigen Tomographieaufnahmen während einer Belastungsphase einen hohen Anteil an zur Gleitschichtbildung beitragendem freien Wasser. Der Übergang zu einer Erholungsphase geht mit der Umlagerung von mobilem freien Wasser, in immobiles physikalisch gebundenes Wasser einher. Mit steigendem Anteil an physikalisch gebundenem Wasser erfolgt ein Strukturaufbau durch Intensivierung der Partikelwechselwirkungen. Dieser Zusammenhang zwischen dem mikroskopischen Partikelinventar und resultierenden makroskopischen rheologischen Eigenschaften wurden in einem Modell zu den mikrostrukturellen Fließmechanismen dargestellt.
Auf der nun bekannten mikrostrukturellen Grundlage wurde in einem nächsten Schritt ein Materialmodell zur Vorhersage der rheologischen Eigenschaften von Zementsuspensionen entwickelt. Dieses Materialmodell beinhaltet die Berücksichtigung einer komplexen Schergeschichte, von Hydratationsprozessen und Zeitdauern unterkritischer Belastung auf die Fließfähigkeit von Zementsuspensionen. Eine praxisnahe Anwendung dieses Materialmodells konnte in Versuchen zur optimierten Verdichtung aufgezeigt und das Materialmodell somit verifiziert werden. Die hierdurch ermöglichte Einstellung der Verdichtungsenergie auf den vorliegenden interpartikulären Bindungszustand der Zementsuspension ermöglicht eine zielsichere Entlüftung und trägt zur Qualitätssicherung eines nachhaltigen Betonbaus bei.The flow behavior of fresh concrete is controlled in particular by the rheological properties of the cement suspension therein. Its flow properties are reflected in macroscopic characteristics – e.g. the dynamic viscosity – and are characterized by the microscopic structure of the suspension – particle inventory as well as acting particle interactions. The flow behavior of cement suspensions is subject to change over time and as a result of mechanical stress, making the prediction of fresh concrete properties a challenging endeavor. The observed changes are attributed to physical-induced agglomeration and dispersion processes as well as chemical-induced dissolution and precipitation reactions. The objective of the present work is to investigate the rheological behavior of cement suspensions under conditions of high and low shear stress to derive a model for predicting the influence of shear history and hydration processes on the thixotropy of cement suspensions. The quantification of the flow properties is based on the dependencies and the temporal development of the dynamic viscosity, which represents in this context an evaluation criterion of the suspension structure. The thesis by the author enables a prediction of the flow behavior of cement suspensions depending on their respective shear history, their hydration condition and other complex influences.
Following a fundamental literature review, the influences on the structural behavior – structural breakdown as a result of dispersion processes and structural build-up due to agglomeration processes – of cement suspensions were analyzed in a comprehensive rheological investigation programme. The focus of this experimental subgoal was to investigate the effects of different shear histories and varying hydration processes on the rheological properties of cement suspensions. The results demonstrate that a low pre-shear intensity, advanced hydration processes, higher solids phase contents and longer durations of undercritical loading yield in an increase in structure. Conversely, high pre-shear, the addition of superplasticizer and a change in the direction of deformation result in a higher flowability. The aforementioned influences apply to both rotational-induced and vibrational-induced loadings. To evaluate the influence of vibrational-induced deformation, a conversion method for rheological data from rotational- to vibrational-induced deformation was derived.
The underlying microstructural flow mechanisms were investigated using the tomo-rheoscopy method, which revealed the separation of the shear gap into a shear localization zone with high movement speed and a resting zone devoid of detectable movement. Between the two zones, shear-induced particle migration creates a localized water-rich and particle-poor slippage layer (depleted layer). The characteristics of this slippage layer depend on the shear rate and the suspension composition. An influence on the flow properties during a loading phase through the mechanical separation of the shear gap by a slippage layer has been verified. The transition to a subcritical shear proves a time-dependent regression of the slippage layer, which controls the structural increase during the recovery phase. Furthermore, tomographic images obtained during a loading phase demonstrate a high proportion of free water contributing to the formation of a slippage layer. The transition to a recovery phase is accompanied by the rearrangement of mobile free water into immobile physically bound water. As the proportion of physically bound water increases, the structure is built up by intensifying particle interactions. This dependency between the microscopic particle inventory and the resulting macroscopic rheological properties was implemented in a model of the microstructural flow mechanisms.
Based on these microstructural findings, a model for predicting the rheological properties of cement suspensions was developed. This model takes into account a complex shear history, hydration processes and resting phases in order to assess the flowability of cement suspensions. A practical application of this model has been demonstrated and verified in tests for an optimized compaction process. The resulting adjustment of the compaction energy to the existing interparticle bonding state of the cement suspension enables coordinated de-airing and contributes to the quality assurance of sustainable concrete construction
Zur Widerstandsbeeinflussung kontinuierlich adaptierter Riblet-Strukturen
No full textVor dem Hintergrund steigender Betriebskosten in allen Sektoren bei gleichzeitiger Zielsetzung, die CO2-Emissionen zu reduzieren, bleibt es das Hauptziel, die Energieeffizienz technischer Anlagen und Systeme kontinuierlich zu steigern. Hierfür müssen zukünftig alle bekannten Maßnahmen synergetisch ausgeschöpft werden. Eine passive Methode zur Reduzierung der Reibungsverluste überströmter oder auch durchströmter Komponenten besteht in der Applikation von Längsrillen, die den Schuppen schnell schwimmender Haie nachempfunden sind, sogenannter Riblet-Strukturen. Für den effektiven Transfer dieser Technologie auf technisch relevante Anwendungen bedarf es Herstellungsverfahren, die eine Adaption der geometrischen Abmessungen der Riblet-Strukturen sowie ihrer Ausrichtung an die lokal vorherrschenden Strömungsphänomene zulassen. Der Nachweis einer erhöhten Widerstandsreduktion durch die Applikation sogenannter kontinuierlich adaptierter Riblet-Strukturen gegenüber den bisweilen eingesetzten Riblet-Strukturen mit konstanten Abmessungen ist Zielsetzung dieser Arbeit.
Auf Grundlage numerischer Strömungssimulationen glatter Referenzprofile werden aufbauend auf den zahlreich vorhandenen Ergebnissen zur Riblet-Applikation auf ebenen Platten optimal dimensionierte Riblet-Strukturen mit konstanten und kontinuierlich adaptierten Abmessungen ausgelegt. Die Oberflächenstrukturierung der Prüfkörper erfolgt durch das Laserinstitut der Hochschule Mittweida mittels der Hochrate-Laserstrukturierung. Das Verfahren ermöglicht erstmals die Applikation von Riblet-Strukturen in industrie-relevanten Skalen, deren Abmessungen kontinuierlich an die lokal vorherrschenden Strömungsphänomene angepasst sind. Zur Bewertung der aerodynamischen Wirksamkeit entsprechender Strukturen werden Nachlaufuntersuchungen in einem für diesen Zweck modifizierten Windkanal Göttinger Bauart durchgeführt. Die Ergebnisse am einseitig und beidseitig strukturierten Trägerprofil NACA0012 belegen das erhöhte widerstandsmindernde Potential kontinuierlich adaptierter Riblet-Strukturen im Vergleich zu Riblet-Strukturen mit konstanten Abmessungen. Die höchste Widerstandsbeiwertreduktion in der Größenordnung von Δcd/cd0 ≈ -7% wird bei beidseitiger Applikation kontinuierlich adaptierter Riblet-Strukturen erzielt.
Ergänzend zu den experimentellen Untersuchungen wurde ein Prognosewerkzeug entwickelt, das erlaubt, den Einfluss konstanter und kontinuierlich adaptierter, idealer und nicht-idealer Riblet-Strukturen unter variierenden Strömungsbedingungen systematisch zu untersuchen. Dabei wird die integrale Widerstandsbeeinflussung infolge der viskosen Reibungsreduktion vorhergesagt. Durch einen Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen können Aussagen zur Riblet-induzierten Minderung der Druckverluste abgeleitet werden. Die Ergebnisse zur Riblet-Applikation geben darüber Aufschluss, dass ein wesentlicher Anteil der Gesamtwiderstandsreduktion der Minderung der Druckverluste zuzuschreiben ist. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen wesentlichen Beitrag, um ein weiterführendes Verständnis zum Wirkmechanismus Riblet-strukturierter Oberflächen zu gewinnen und den Transfer der Riblet-Technologie in den industriellen Einsatz zu beschleunigen. Basierend auf den Ergebnissen können zukünftig sinnvolle Strukturierungsstrategien abgeleitet werden
Additive-free hyaluronic acid-based bioink for 3D bioprinting of bone marrow microenvironments
No full textBioprinting of soft tissues is an emerging technology with significant potential in regenerative medicine. It requires bioinks that mimic biochemical and physical properties of natural tissues and enable precise positioning of multiple cell types to allow their physiological interplay. Here, we describe the development of a bioink for bone marrow as an example of soft tissue. Bone marrow is the site of blood regeneration, driven by hematopoietic stem cells (HSCs) and relying on the orchestrated interplay of hematopoietic and stromal cells in a soft microenvironment. The bioink is based on hyaluronic acid (HA), dual-functionalized in a one-pot synthesis with alkyl side chains enhancing physical crosslinking via hydrophobic interactions and methacrylamide groups allowing covalent photo-crosslinking. Polymers are synthesized with HA of differing molecular weights, alkyl side chain lengths and modification degrees. Their gelling behavior, shear-thinning and self-healing properties deem them suitable for extrusion-based bioprinting. The ink allows two bioprinting approaches: cell encapsulation pre-printing and cell injection post-printing, both yielding excellent cell viability. The latter approach allows precise placement of hematopoietic and stromal cells in a single construct.
In summary, we present a bioink enabling bioprinting of modified HA without further additives, bioprinting of encapsulated cells and injection of cells into pre-printed structures. The material is based on a polymer naturally present in bone marrow, resembles the mechanical properties of bone marrow and is suitable for bioprinting of hematopoietic and stromal cells. Thus, this bioink is a promising platform for bioprinting biomimetic bone marrow or other soft tissue constructs for future fundamental and applied research
The influence of oscillating motion on grease lubrication performance in ball bearings
No full textBearings are critical components in industrial applications and are used in a wide variety of operating conditions. To meet the lubrication demands of different operating conditions, it is essential to study wear and lubrication mechanisms to select appropriate lubrication methods and lubricants. With the advancement of automation industries and clean energy technologies, reciprocating bearings are increasingly utilized in applications such as robotics and wind power systems, where grease lubrication is commonly employed. However, compared to the in-depth studied rotational bearings, the lubrication mechanisms and lubricant selection for oscillating bearings remain insufficiently investigated. This study primarily investigates the grease replenishment mechanisms in oscillating bearings through a combination of bearing tests and elastohydrodynamic (EHL) model experiments. In the bearing tests, 6008 deep groove ball bearings were used to evaluate the anti-wear performance of various greases under a range of operating conditions. Performance was assessed through measurements of frictional torque and rolling surface wear. Parallel to this, the model experiments focused on measuring the film thickness within the contact zone of tribo-pairs, simulating corresponding bearing conditions to gain insight into the lubrication mechanisms at play. To explore the role of the bearing cage, both experimental setups were modified: the bearing cage was redesigned, and the traditional ball-on-disc configuration was adapted into a ball–cage–disc system. These modifications enabled a focused investigation of how the cage influences grease replenishment.
In the bearing experiments, a total of three cage designs were evaluated. The results confirmed that, under certain amplitude conditions, the presence of a cage significantly enhances lubrication performance. However, even in the absence of cage-assisted replenishment, lubrication performance was observed to improve with increasing oscillation amplitude. This phenomenon is likely attributed to the translational movement of the rolling elements between the inner and outer raceways. As the rolling trajectory spans both rings at larger amplitudes, it facilitates grease exchange across the raceways, contributing to improved lubrication. Complementing these findings, the model experiments led to the development of a thickener starvation theory, which identifies the critical boundary conditions under which the thickener can or cannot enter the contact region in a ball-on-disc configuration. According to this theory, under starvation conditions, the distribution of grease differs between the inner and outer raceways. When the rolling element transitions from one raceway to the other, this movement disrupts the development of a starvation state by redistributing thickener into the contact zone, thereby enhancing lubrication. By integrating findings from both experimental approaches, the study identifies three key lubrication mechanisms in grease-lubricated reciprocating bearings: oil replenishment from surrounding grease reservoirs, grease replenishment facilitated by the cage, and grease exchange between the inner and outer raceways. The study also discusses the characteristics of each mechanism and provides recommendations for cage design