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One of the most important factors for a successful performance of a load-bearing implant for hard tissue replacement is its mechanical compatibility with human bone. That implies that the stiffness should be close to that of a bone and the strength of the implant material must be high enough to bear the load applied under physiological conditions. The Young´s modulus of most of the commonly used biomedical alloys is larger than that of a human bone (around 100 GPa for cp Ti, 112 GPa for Ti-6Al-4V versus 10-30 GPa for cortical human bone). A stiffness reduction of Ti alloys can be achieved by two approaches: (i) selecting an alloy composition with low Young´s modulus i.e. a ß-type alloy and (ii) introducing a reasonable amount of porosity. The composition of Ti-40Nb was chosen for the present work, as it allows to stabilize a single ß-type phase with low Young´s modulus at room temperature. The samples were produced by a powder metallurgical approach. The Ti-40Nb alloy powder was obtained by ball-milling of elemental Ti and Nb powders. The influence of the milling parameters on the oxygen content in the milled powder was studied. Powders with a lowest oxygen content of 0.4 wt.-% had an almost single ß-type phase after heat treatment and quenching. Porous samples were produced by loose powder sintering, hot-pressing and sintering with NaCl as a space-holder. The influence of the different processing routes and different porosities on the mechanical properties of the alloy was studied. The samples produced by loose powder sintering had mechanical properties close to those of cortical human bone (Young´s modulus 20 GPa, compression strength 150 MPa) and the samples produced by loose sintering with space-holder materials had mechanical properties close to those of human spongy bone (Young´s modulus 0.2-2 GPa, compression strength 50 MPa). Porous Ti-40Nb samples were coated with bone-like hydroxyapatite by an electrochemical deposition method in order to improve the osseointegration of the samples with bone tissue. The experiments were carried out with samples produced by different routes and a correlation between the deposition parameters and the morphology of the hydroxyapatite needles was found.

Die Arbeit analysiert das Lasermikrosintern von Metallen in seiner Gesamtheit durch kalkulierbare Modelle und Formulierungen. Hierfür wird der Sintervorgang in relevante Prozessschritte untergliedert. Die darauf aufbauenden Berechnungen der Prozessparameter werden in Form analytischer Ansätze und durch numerische Simulation analysiert. Anfänglich werden die Modelle der Einzelschritte und deren Resultate werden auf Übereinstimmung mit den experimentellen Daten und Beobachtungen geprüft. Hierbei dienen die Modelle, Algorithmen und analytischen Beziehungen als nachhaltiges Instrumentarium für Analysen und Beschreibungen dieses und ähnlicher Prozesse. Mithilfe der entwickelten Algorithmen werden die bisherigen Vorstellungen zum Prozessmechanismus verifiziert, korrigiert, ergänzt und offene Fragen zur Prozessmechanik beantwortet. Abschließend werden die mechanistischen Modelle der Einzelschritte zur Diskussion experimenteller Ergebnisse und beobachteter Prozessphänomene in Form einer Gesamtinterpretation der betreffenden Lasermikrosinterregime zusammengeführt. Zunächst werden die Prozessbedingungen und Prozessbeschreibungen sowie die Modelle zur Strahlungsabsorption in Pulvern in Arbeiten fremder Autoren vorgestellt. Zur Beschreibung der Ursache und Wirkung laserinduzierter Plasmen, ein besonders beim Lasermikrosintern bedeutsames Phänomen, wird auf eigene frühere Arbeiten zurückgegriffen. Aus den besonderen Bedingungen des Lasermikrosinterns wird die formale Gliederung des Prozessverlaufs in drei separate Dissipationsphasen abgeleitet. Die drei relevanten Reaktionsphasen sind hierbei, die Absorption der Strahlung, die Wärmeausbreitung und Schmelzerzeugung sowie die Wärmeleitung im Pulverbett. Die ablaufenden Einzelmechanismen als Folge der gepulsten Laserstrahlung werden durch geeignete Näherungen beschrieben und berechnet. Die Resultate werden mit grundlegender Aussage mit experimentellen Beispielen verglichen und verifiziert. Die Betrachtung unterschiedlicher Regime des Lasermikrosinterns erfolgt, gestützt auf die Ergebnisse der Kalkulationen der energetisch-thermodynamischen Synthese. Es werden Aussagen zu den regimespezifischen Prozessmerkmalen getroffen und mit den Beobachtungen verglichen. Oder, es werden regimespezifische Beobachtungen mit Hilfe der im vorhergehenden Abschnitt entwickelten prozessanalytischen Werkzeuge interpretiert. Auswirkungen von Parametervariationen auf den Gesamtprozess werden im Hinblick auf das Optimierungspotential diskutiert.

In der vorliegenden Arbeit wird die Aktivierung der Bildungsbedingungen von Mullit in Pulvermischungen anorganischer Al3+ - und Si4+-haltiger Ausgangsrohstoffe mit stöchiometrischer Zusammensetzung von 3/2-Mullit untersucht. Eine mit 1,25 Atom-% Magnesiumhydroxid dotierte und unter hydrothermalen Bedingungen (300°C/24 h) ausgelagerte Pulvermischung aus Gibbsit und Quarz zeichnet sich beim Sintern ab 1150°C durch hohe Mullitisierungsraten aus. Dieser Mullitprekursor kann erfolgreich als Bindematrix in einem Werkstoff auf Sintermullitbasis eingesetzt werden. Nach der Sinterung (1600°C/2 h) einer Versatzmischung aus 70 Masse-% Sintermullit und 30 Masse-% Mullitprekursor entsteht ein homogenes Werkstoffgefüge in dem die ursprünglichen Korngrenzen der Sintermullitkörnung und der mullitisierenden Bindematrix nicht mehr zu identifizieren sind. Das Gefüge dieses Werkstoffes ist durch eine große Anzahl kleiner Poren (< 10 µm) mit enger Porengrößenverteilung gekennzeichnet.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Methode der Laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIPS) zur Bestimmung des Aufmischungsgrades ([Eta]) in durch Laserstrahl-Präzisionsauftragschweißen (LAP) hergestellten Beschichtungen. Grund- und Zusatzwerkstoff müssen sich hierbei in ihrer Elementzusammensetzung voneinander unterscheiden. Als Substratmaterial diente unlegierter Baustahl, als Zusatzwerkstoff wurde Stellit 21 eingesetzt. [Eta] stellt eine wichtige Qualitätskenngröße dar und kann nach vorheriger Kalibrierung des LIPS-Messsystems sowohl offline als auch online detektiert werden. Der Aufmischungsgrad korreliert mit dem detektierten Emissionslinienverhältnis. Im untersuchten Fall besteht in guter Näherung ein linearer Zusammenhang zwischen beiden Größen. Die Vorteile von LIPS gegenüber anderen Verfahren liegen insbesondere in der berührungslosen Analyse und der entfallenden Probenpräparation. Prinzipiell lässt sich das Vorgehen auf andere Werkstoffsysteme übertragen. Das verwendete LISP-Messsystem kann in den Fertigungsprozess integriert werden und steht als Technologiemodul für eine qualifizierte Überwachung des Aufmischungsgrades beim LAP-Prozess zur Verfügung.

Reine und dotierte SnO2 Feinstpulver und Einkristalle wurden mit verschiedenen Methoden hergestellt. Die Abhängigkeit der Eigenschaften von der Dotierungsart und der Dotierungskonzentration wurde untersucht. Die Dotierung mit fünfwertigen Elementen (Sb, Nb) führt zur Erniedrigung des spezifischen elektrischen Widerstandes und die Dotierung mit dreiwertigen Elementen (z.B. In) zu seiner Erhöhung. An den dotierten Materialien kann mittels XPS eine Segregationsschicht nachgewiesen werden. Der Umfang dieser Schicht ist abhängig sowohl von dem Dotierungselement, als auch von den Herstellungsbedingungen (z.B. Temperatur und Temperungszeit). Für die Pulver wird, im Gegensatz zu den Einkristallen, kein thermodynamisches Gleichgewicht für Segregationsprozess im untersuchten Zeitfenster gefunden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Model vorgestellt, dass es erlaubt, die Dicke der Segregationsschicht, als auch der verbleibenden Volumenkonzentration der Dotierungselement im SnO2 Kristallit zu berechnen. Die Volumenkonzentration beträgt in Abhängigkeit von der Dotierungsart und Temperatur bis zu 70% der gesamten Dotierungskonzentration. Die sich ausbildende Segregationsschicht erreicht einen Bedeckungsgrad von bis zu einer Monolage. Die Aktivierungsenergie der Diffusion, sowie die freie Enthalpie des Segregationsprozesses können für die hier untersuchten Dotierungselemente in SnO2 bestimmt werden.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines vielseitigen Messinstruments, um die für Thermoelektrika entscheidendeMaterialeigenschaft - den Seebeckkoeffizienten - zu ermitteln. Dieses Instrument ermöglicht es, mit einem einzigen Gerät unterschiedliche Probenarten zu messen, wofür in herkömmlichen Messverfahren mehrere Geräte notwendig sind. Um diese Vielseitigkeit aufzuzeigen, wurde das entwickelte Instrument an einer Vielzahl unterschiedlicher Proben von Dünnschichten, Pulvern und Pasten getestet. Am Beispiel der Dünnschichtmaterialen wurden mit dem hier entwickelten Messgerät und anderen Messmethoden, wie zum Beispiel Röntgenfluoreszenz mit streifendem Einfallswinkel, Rasterkraftmikroskopie und Photoelektronenspektroskopie, Zusammenhänge zwischen den thermoelektrischen Eigenschaften und der Struktur der Materialien hergestellt. Der Seebeckkoeffizient der Kupferoxide wurde durch das Tempern in einer Sauertoffatmosphäre verbessert. Bei organischen mehrschichtigen DMSO-dotierten PEDOT:PSS Filmen wurde überraschenderweise eine Verbesserung der thermoelektrischen Eigenschaften - vor allem der Leitfähigkeit - festgestellt. Für die Erhöhung der Leitfähigkeit im Vergleich zu einschichtigen Filmen wurden Mechanismen vorgeschlagen. Aufgrund der Minimierung des Widerstandes sind die PEDOT:PSS Filme vielversprechende Materialien für flexible thermoelektrische Generatoren. Darüber hinaus wurden Finite-Elemente-Methode-Simulationen zur Wärmeleitfähigkeit von thermoelektrischen Materialien ausgeführt, um einen Herstellungsprozess für Dünnschicht-Thermoelektrika vorzuschlagen, der mittels bereits etablierter Methoden in der Massenproduktion von thermoelektrischen Generatoren durchgeführt werden kann. / This thesis describes the development of a versatile, low-cost measurement instrument that can determine Seebeck coefficients for a multitude of samples such as thin films, powders, and pastes. Commercial instruments are relatively expensive and limited to one sample type. The developed device applied on several thermoelectric thin-film systems produced the same results as a standard commercial instrument. In addition, it was used to determine Seebeck coefficients for thermoelectric pastes and powders. For thin-film materials, the developed device, in combination with other measuring methods such as grazing incidence X-ray fluorescence, atomic force microscopy, and photoelectron spectroscopy was used to establish relations between the thermoelectric properties and the material‘s structures. Based on these results, organic DMSO doped PEDOT:PSS multilayer films were developed with improved thermoelectric properties making them promising materials for flexible thermoelectric generators. Furthermore, finite element method simulations on the thermal conductivity of thermoelectric materials were conducted in order to propose a manufacturing process for thin-film thermoelectrics, which can be carried out with already established methods in the mass production of thermoelectric generators.

Ziel dieser Studie war es, den Einfluss von Prophylaxemaßnahmen und künstlicher Alterung auf Veneers an menschlichen Zähnen zu untersuchen. Untersucht wurden die externen, marginalen und die internen Grenzflächen, sowie die Oberflächenstruktur der Restaurationsoberflächen. Zweiunddreißig extrahierte Prämolaren wurden mit Veneers aus polymerbasiertem Verbundwerkstoff (RBC) und polymerinfiltriertem Keramiknetzwerk (PICN) restauriert. Künstliche Alterung durch abwechselndes Thermocycling und anschließende Prophylaxemaßnahmen (Pulver-Wasserstrahl mit Glycin-Pulver oder Ultraschall-Scaling) wurde in fünf Zyklen vollzogen. Die externe, marginale Grenzfläche wurde durch Höhenprofilmessungen und die interne Grenzfläche wurde mit Hilfe der Mikro-Röntgen-Computertomographie untersucht. Darüber hinaus wurde die Oberflächenstrukturen der Veneers mit Hilfe der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie analysiert. Die Anwendung beider Prophylaxeverfahren führte zu einer Vertiefung der externen, marginalen Grenzflächen (10 μm ± 8 μm) bei beiden Verbundwerkstoffen. Darüber hinaus wies die interne Grenzfläche der PICN-Restaurationen, nach beiden Behandlungen und künstlicher Alterung, marginale Lücken auf (16 μm ± 3 μm). Im Gegensatz zu den RBC-Proben wurde eine signifikante Zunahme der Oberflächenrauhigkeit bei PICN-Veneers nach der Ultraschall-Behandlung festgestellt. Es lässt sich zusammenfassen, dass die marginalen und internen Grenzflächenbereiche bei Veneers aus PICN und RBC durch Prophylaxe-Verfahren beeinflusst werden. Darüber hinaus kann es zu einer erhöhten Oberflächenrauigkeit der Veneers kommen, insbesondere bei denen aus PICN nach dem Ultraschall-Scaling, was die Bioadhäsion und Langlebigkeit beeinträchtigen könnte. Nach der zahnärztlichen Prophylaxe ermöglicht die Untersuchung externen und internen Grenzflächen, sowie der der Restauratiosnoberfläche einen präzisen Einblick in die Schädigungsmechanismen und ermöglicht eine Einschätzung der Langlebigkeit.:Abkürzungsverzeichnis III 1 Einführung 1 1.1 Nicht kariöse Zahnhartsubstanzdefekte 2 1.1.1 Abfraktion 3 1.1.2 Abrasion 3 1.1.3 Attrition 3 1.1.4 Erosion 4 1.2 Klassifizierung der Keramiken und der Verbundwerkstoffe 4 1.2.1 Glasmatrix-Keramiken 4 1.2.2 Polykristalline Keramiken 5 1.2.3 Komposit-Matrix-Keramiken 5 1.2.3.1 Grandio Blocs (RBC) 6 1.2.3.2 Enamic (PICN) 6 1.3 Professionelle Zahnreinigung und ihre Auswirkungen 7 2 Publikationsmanuskript 9 3 Zusammenfassung der Arbeit 23 4 Literaturverzeichnis 27 5 Anlagen 31 5.1 Ergänzende Informationen / Supplemental Material 31 5.2 Darstellung des eigenen Beitrags zur Publikationspromotion 33 5.4 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 35 5.5 Lebenslauf 37 5.6 Eigenes Publikationsverzeichnis 39 5.7 Danksagung 41 / The aim of this study was to investigate the influence of dental prophylaxis cleaning procedures and artificial aging on veneers in human teeth. The external marginal and internal tooth veneer as well as the restoration surfaces were examined. Thirty-two extracted premolars were restored with resin-based composite (RBC) and polymer-infiltrated ceramic network (PICN) veneers. Artificial aging by alternating thermocycling and subsequent prophylaxis procedure (glycine-based powder air polishing or ultrasonic scaling) was conducted for five consecutive cycles. The external marginal interface was examined by height profile measurements and the internal interface was investigated using micro X-ray computed tomography. In addition, the surface texture of the veneer surface was analyzed using confocal laser scanning microscopy. The application of both prophylaxis procedures resulted in a deepening of the marginal interface (10 μm ± 8 μm) for materials. Furthermore, the internal interface of PICN restorations showed marginal gaps after both treatments and artificial aging (16 μm ± 3 μm). In contrast to the RBC specimens, a significant increase in surface roughness was identified for PICN veneers after ultrasonic scaling. The marginal and internal interface regions in veneers fabricated from PICN and RBC were affected by prophylaxis procedures. Furthermore, it may result in increased veneer surface roughness, especially in PICN and after ultrasonic scaling, which might affect bioadhesion and longevity. After dental prophylaxis procedures, examination of the marginal and the internal interface as well as the veneer surface provides a precise insight into damage mechanisms and offers an assessment of longevity.:Abkürzungsverzeichnis III 1 Einführung 1 1.1 Nicht kariöse Zahnhartsubstanzdefekte 2 1.1.1 Abfraktion 3 1.1.2 Abrasion 3 1.1.3 Attrition 3 1.1.4 Erosion 4 1.2 Klassifizierung der Keramiken und der Verbundwerkstoffe 4 1.2.1 Glasmatrix-Keramiken 4 1.2.2 Polykristalline Keramiken 5 1.2.3 Komposit-Matrix-Keramiken 5 1.2.3.1 Grandio Blocs (RBC) 6 1.2.3.2 Enamic (PICN) 6 1.3 Professionelle Zahnreinigung und ihre Auswirkungen 7 2 Publikationsmanuskript 9 3 Zusammenfassung der Arbeit 23 4 Literaturverzeichnis 27 5 Anlagen 31 5.1 Ergänzende Informationen / Supplemental Material 31 5.2 Darstellung des eigenen Beitrags zur Publikationspromotion 33 5.4 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 35 5.5 Lebenslauf 37 5.6 Eigenes Publikationsverzeichnis 39 5.7 Danksagung 41

In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie sich instationäre Plasma- und Fördergasvolumenströme nutzen lassen, um den Plasma-Pulver-Auftragschweißprozess in seiner Gesamtheit zu beeinflussen. Dabei wurden die Veränderungen in der Lichtbogencharakteristik, der Pulverzuführung und insbesondere dem Schmelzbad analysiert und in einem theoretischen Prozessmodell zusammengefasst. Die gewonnenen Ergebnisse und die aufgezeigten Wirkzusammenhänge konnten in der Folge dazu genutzt werden, die Hartstoffverteilung in Pseudolegierungen und den mikrostrukturellen Aufbau geschweißter konventioneller Hartschichten zu modifizieren. / In the present studies it is examined, how unsteady gas flows can be used to modify the plasma transfer arc welding process in its entirety. In the first step it was analysed in which different ways non-steady-state plasma and transport gas flows influence the arc characteristics, the powder transport and the melt bead properties. With the obtained results a theoretical model was developed, to describe the observed behaviours and understand the coherences. Subsequently the preliminary findings were used to alter the distribution of tungsten-carbide in a welded hardface composite coating and to modify the microstructure of a conventional alloy welded with the plasma transfer arc process.

Gegenstand der Dissertationsschrift ist eine Darstellung des gegebenen Wissensstandes zum Scherschneiden anhand der Literatur, mit einer Einordnung des Schrägschneidens. Auf dieser Grundlage erfolgt eine Verfahrens- und Prozeßbeschreibung des Schrägschneidens, als Variante des Scherschneidens, insbesondere eine Untersuchung des auftretenden Verschleisses. Es wird die Anwendung des Laser-Pulver-Auftragschweißen an Schneidwerkzeugen zur Verschleißminimierung erprobt und bewertet.