Recent Submissions
Influence of stirring pin geometry on weld appearance and microstructure in wire-based friction-stir additive manufacturing of EN AW-6063 aluminium
(2025) Donaubauer, Stefan; Weihe, Stefan; Werz, Martin
Additive manufacturing of metal components is predominantly based on fusion-welding processes involving melting and solidification. However, processing high-strength aluminium alloys presents challenges, including reduced mechanical properties and increased susceptibility to hot cracking. To address these issues, alternative solid-state processing methods for aluminium are being explored worldwide. One such method is wire-based friction-stir additive manufacturing, which builds on the principles of friction-stir welding. This study focused on assessing a range of pin tool designs to promote improved mixing between the filler material and substrate. The best results were achieved using a two-stirring-probe configuration, which was then employed to fabricate a multilayer wall made of EN AW-6063 aluminium alloy. The resulting structure showed significant grain refinement, with the deposited layers having an average grain size approximately four times smaller than that of the substrate, indicating dynamic recrystallisation. Tensile testing of the intermediate layer revealed a strength of 147 MPa and 10% elongation, corresponding to 77% of the filler wire strength. These findings highlight the potential of the W-FSAM process for producing near-net-shape, high-quality lightweight metal components with refined microstructures and reliable mechanical performance.
Transfer hydrogenation of vanillin with formic acid over graphene-encapsulated nitrogen-doped bimetallic magnetic Pd/Fe@N/C catalyst
(2025) Zuo, Hualiang; Lei, Yulong; Liu, Jianguo
The improved biomass-derived aldehyde compounds represent a valuable route to the production of high-value-added fuels and chemicals. However, the majority of mature catalytic systems exhibit low hydrodeoxygenation (HDO) activity, even under harsh reaction conditions. In this study, it was observed that a Pd/Fe magnetic bimetallic catalyst, in conjunction with formic acid (FA) as a hydrogen source and nitrogen-containing carbon material as a support, exhibited remarkable catalytic performance for the conversion of phenyl aldehydes in oxygenates derived from crude lignin. In the hydrogenation of vanillin, the Pd/Fe@N/C catalyst demonstrated superior catalytic activity under mild reaction conditions of 80 °C. When ethyl acetate was used as the solvent, the product was vanillyl alcohol (VA), and when cyclohexane was employed as the solvent, the product was p-methyl guaiacol (MMP). The yields achieved were 84.5% and 92.3%, respectively. It is recommended that further exploration of the FLOW reactor system be considered at a later stage due to the magnetic and easily separable characteristics of the catalyst. The excellent mass transfer and heat transfer performance of the FLOW reactor system will further ensure that the reaction conditions are moderate and will strive to achieve normal-temperature conversion.
On the differential topology of expressivity of parameterized quantum circuits
(2025) Barzen, Johanna; Leymann, Frank
Parameterized quantum circuits play a key role in quantum computing. Measuring the suitability of such a circuit for solving a class of problems is needed. One such promising measure is the expressivity of a circuit, which is defined in two main variants. The variant in focus of this contribution is the so-called dimensional expressivity, which measures the dimension of the submanifold of states produced by the circuit. Understanding this measure needs a lot of background from differential topology, which makes it hard to comprehend. In this article, we provide this background in a vivid as well as pedagogical manner. Especially, it strives towards being self-contained for understanding expressivity, e.g., the required mathematical foundations are provided, and examples are given. Also, the literature makes several statements about expressivity, the proofs of which are omitted or only indicated. In this article, we give proof for key statements from dimensional expressivity, sometimes revealing limits for generalizing them, and sketching how to proceed in practice to determine this measure.
Influence of multiaxial loading and temperature on the fatigue behaviour of 2D braided thick-walled composite structures
(2025) Luplow, Tim; Drummer, Jonas; Protz, Richard; Littner, Linus; Kunze, Eckart; Heimbs, Sebastian; Fiedler, Bodo; Gude, Maik; Kreutzbruck, Marc
While size effects in composite structures have been widely studied under quasi-static uniaxial loading, their influence under fatigue conditions, particularly in the presence of multiaxial stress states and elevated temperatures, remains insufficiently understood. This study investigates the fatigue behaviour of thick-walled ±45∘braided glass fibre-reinforced polyurethane composite box structures under varying temperature and loading conditions. A combined experimental approach is adopted, coupling quasi-static and fatigue tests on large-scale structures with reference data from standardised coupon specimens. The influence of temperature (23-80 °C) and multiaxial shear–compression loading is systematically evaluated. The results demonstrate a significant temperature-dependent decrease in compressive strength and fatigue life, with a linear degradation trend that aligns closely between the box structure and coupon data. Under moderate multiaxial conditions, the fatigue life of box structures is not significantly impaired compared to uniaxial test coupon specimens. Complementary non-destructive testing using air-coupled ultrasound confirms these trends, demonstrating that guided-wave phase-velocity measurements capture the evolution of anisotropic damage and are therefore suitable for in situ structural health monitoring applications. Furthermore, these findings highlight that (i) the temperature-dependent fatigue behaviour of thick-walled composites can be predicted using small-scale coupon data and (ii) small shear components have a limited impact on fatigue life within the studied loading regime.
Unveiling the origin of the yield stress anomaly in L12 intermetallics via atomistic approaches
(2025) Xu, Xiang; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
Methodische Unterstützung für das Konstruieren mit Aluminiumschaum-Sandwich
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2025) Hommel, Patrick; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Das steigende Umweltbewusstsein, die Folgen des Klimawandels und die globale Ressourcenknappheit schärfen das Bewusstsein für die Notwendigkeit nachhaltiger Produktentwicklungen. Leichtbau ist ein wichtiger Innovationstreiber, der einen wesentlichen Beitrag zur Ressourcen- und Energieeffizienz leistet und sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt. Aluminiumschaum-Sandwich ist eine innovative Materialkombination mit großem Potenzial für den Leichtbau, da sie die Realisierung leichter und gleichzeitig robuster Konstruktionen ermöglicht. Die charakteristische Sandwichstruktur mit einem Aluminiumschaumkern und zwei umgebenden Aluminiumdeckschichten bietet eine hohe Biegesteifigkeit bei geringer Dichte und hoher mechanischer Energieaufnahmefähigkeit. Diese Eigenschaften sind im Zusammenhang mit der Elektromobilität besonders wichtig. Trotz dieser vielversprechenden Eigenschaften und der Marktreife des Materials ist seine Verwendung in industriellen Anwendungen noch begrenzt. Neben den hohen Kosten hat eine Studie einen Mangel an Wissen festgestellt, wo das Material überhaupt eingesetzt werden kann und wie man damit konstruiert. Dementsprechend wird in dieser Arbeit die folgende zentrale Forschungsfrage beantwortet:
Wie kann das Einsatzpotenzial von Aluminiumschaum-Sandwichplatten bewertet werden und wie kann das Konstruieren mit Aluminiumschaum-Sandwich methodisch unterstützt werden?
Diese Fragen bilden die Grundlage für die zentralen Arbeitspakete dieser Arbeit. Die Analyse des Stands der Technik zeigt, dass es keine ausreichende und umfassende Unterstützung für die Konstruktion mit Aluminiumschaum-Sandwich gibt. Verschiedene Studien mit Teilnehmern aus der Industrie zeigen, dass es insbesondere an spezifischem Konstruktionswissen und Referenzanwendungen mangelt, die die vorteilhafte Verwendung von Aluminiumschaum-Sandwich veranschaulichen. Darüber hinaus wird Aluminiumschaum-Sandwich aufgrund mangelnder Risikobereitschaft und unzureichend erforschter Materialeigenschaften bei der Materialauswahl in der Industrie oft nicht berücksichtigt. Konstrukteure sind nicht in der Lage, das Potenzial und die Machbarkeit des Einsatzes von Aluminiumschaum-Sandwich richtig einzuschätzen. Selbst erfahrene Konstrukteure verfügen aufgrund der einzigartigen Materialeigenschaften und Struktur von Aluminiumschaum-Sandwich oft nicht über die erforderlichen spezifischen Konstruktionskenntnisse. Dieses Wissen ist weder systematisch verfügbar noch ausreichend erforscht.
Diese Arbeit befasst sich mit den identifizierten Defiziten und hat das übergeordnete Ziel, Produktentwicklern eine Methodik an die Hand zu geben, mit deren Hilfe sie die Frage beantworten können, ob Aluminiumschaum-Sandwich in einer Anwendung sinnvoll eingesetzt werden kann und wenn ja, wie damit geeignet konstruiert werden kann. Dadurch soll eine häufigere und geeignetere Verwendung des Materials ermöglicht werden. Dazu wird eine umfassende Methodik entwickelt, die aus zwei zentralen Modulen besteht: einer Bewertungsmethode zur Überprüfung der Eignung von Aluminiumschaum-Sandwich für eine Anwendung und einer Konstruktionsrichtlinie, die praktisches Wissen über die Konstruktion beinhaltet. Die Konstruktionsrichtlinie behandelt Themen wie Herstellungsrestriktionen, Gestaltungsempfehlungen, Berechnungsansätze und Empfehlungen für Fertigungsverfahren. Da viele dieser Themen noch nicht ausreichend bekannt sind, wurden neue Versuche durchgeführt, um Referenzwerte zu ermitteln, beispielsweise für die Verbindungsfestigkeit oder grundlegende Materialeigenschaften. Die Entwicklung beider Module der Methodik wird transparent und verständlich dargestellt, um den Aufbau und den Inhalt der Methodik zu erläutern. Es werden Anwendungsbeispiele gezeigt, in denen die Methodik bereits eingesetzt wurde, um ihre Verwendung zu veranschaulichen und zu zeigen, wie der Inhalt der Methodik in der praktischen Arbeit genutzt wird.
Während der Entwicklung der Methodik wurden die einzelnen Methodikmodule bereits auf ihre Eignung hin überprüft und bei Bedarf optimiert. Darüber hinaus wurden umfassende Evaluationen mit Experten durchgeführt. Es wurden verschiedene Industrieprojekte realisiert, Experten aus der Industrie befragt und die Methodik in studentischen Versuchen angewendet. Aus Sicht der Experten wurde das Ziel der Methodik erreicht und es ist möglich, zu bestimmen, ob Aluminiumschaum-Sandwich gewinnbringend eingesetzt werden kann, und gezielt mit dem Material zu konstruieren. Auch die einzelnen Hilfsmittel wurden in verschiedenen Evaluationen positiv bewertet. Nach Ansicht der Evaluationspartner bietet die Methodik eine große Unterstützung bei der geeigneten Konstruktion mit Aluminiumschaum-Sandwich und trägt zu einer höheren Gesamtnutzung des Materials bei. Der übergeordnete, langfristige Erfolg, der sich erst bei der Umsetzung und wiederholten Anwendung in Unternehmen zeigt, konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht werden. Während die Langzeitwirkung und der Einsatz der Methodik in der Industrie noch nachgewiesen werden müssen, zeigen die Bewertungsergebnisse vielversprechende Tendenzen. Es wurde gezeigt, dass die entwickelte Bewertungsmethode und die Konstruktionsrichtlinie ihre Ziele erreichen und eine wirksame Unterstützung für den Einsatz und die Konstruktion von Aluminiumschaum-Sandwichplatten bieten.
Weiteres Zukunftspotenzial besteht vor allem in der Materialforschung, um präzisere Kennwerte zu erhalten. Langfristig wird dies nicht nur der Bewertungsmethode und der Konstruktionsrichtlinie zugutekommen, sondern auch die Anwendungsmöglichkeiten und das Vertrauen der Industrie in Aluminiumschaum-Sandwichplatten stärken.
Linker-cluster cooperativity in confinement of proline-functionalized Zr-based metal-organic frameworks and its effect on the organocatalytic aldol reaction
(2025) Dilruba, Zarfishan; Yeganeh, Ardeshir D.; Kolin, Sofia; Noor, Sadia; Shatla, Hassan; Wieland, Carl; Yu, Bo-Hung; Gugeler, Katrin; Zens, Anna; Kästner, Johannes; Estes, Deven P.; Pluhackova, Kristyna; Krause, Simon; Laschat, Sabine
Metal organic frameworks (MOFs) provide unique opportunities for molecular heterogeneous catalysis by mimicking the active sites of enzymes. However, understanding and controlling the interaction between the metal node and the organic linker carrying the catalytic unit and the resulting confinement effects remain challenging. Here, in a combined theoretical and experimental approach, Zr-UiO-67-MOFs with ortho-N -acylproline-functionalized biphenyl-dicarboxylate linkers were prepared and compared with the corresponding MOFs with regioisomeric meta -linkers. As benchmark catalysis, the organocatalytic aldol reaction of p -nitrobenzaldehyde and cyclohexanone was studied. Experimental results revealed that the ortho -linker accelerated the aldol reactions, whereas the regioisomeric meta -linker decreased the reaction rate, which was rationalized by pore blocking of the meta -linker via molecular dynamics simulations. Moreover, the acid modulator used in the MOF preparation also played a critical role in the formation of acetal byproducts through competing acid catalysis. Our study provides novel insights into the cooperative catalysis between the linker-attached organocatalyst and the MOF metal center.
eyeNotate : interactive annotation of mobile eye tracking data based on few-shot image classification
(2025) Barz, Michael; Bhatti, Omair Shahzad; Alam, Hasan Md Tusfiqur; Nguyen, Duy Minh Ho; Altmeyer, Kristin; Malone, Sarah; Sonntag, Daniel
Mobile eye tracking is an important tool in psychology and human-centered interaction design for understanding how people process visual scenes and user interfaces. However, analyzing recordings from head-mounted eye trackers, which typically include an egocentric video of the scene and a gaze signal, is a time-consuming and largely manual process. To address this challenge, we develop eyeNotate, a web-based annotation tool that enables semi-automatic data annotation and learns to improve from corrective user feedback. Users can manually map fixation events to areas of interest (AOIs) in a video-editing-style interface (baseline version). Further, our tool can generate fixation-to-AOI mapping suggestions based on a few-shot image classification model (IML-support version). We conduct an expert study with trained annotators (n = 3) to compare the baseline and IML-support versions. We measure the perceived usability, annotations’ validity and reliability, and efficiency during a data annotation task. We asked our participants to re-annotate data from a single individual using an existing dataset (n = 48). Further, we conducted a semi-structured interview to understand how participants used the provided IML features and assessed our design decisions. In a post hoc experiment, we investigate the performance of three image classification models in annotating data of the remaining 47 individuals.
Activation and fixation of atmospheric CO2 through a 1,2,3‐triazole‐based mesoionic carbene-borane adduct
(2025) Neubrand, Maren; Stubbe, Jessica; Rudolf, Richard; Walter, Robert R. M.; Nößler, Maite; Sarkar, Biprajit
Capturing atmospheric CO2 and converting it to valuable chemicals are important goals in contemporary science. We present here a simple, transition metal‐free triazolylidene–borane adduct that can capture atmospheric CO2 and convert it to formate. Several key intermediates were isolated and characterized by a combination of multinuclear NMR spectroscopy, IR spectroscopy and single crystal X‐ray diffraction. A first closed cycle for the conversion of CO2 to formic acid by using the aforementioned triazolylidene–borane compound is presented as well.
The first members of the monoclinic lanthanoid(III) fluoride oxoarsenate(III) series Ln2F2[As2O5] (Ln=La - Nd and Sm)
(2025) Locke, Ralf J. C.; Zimmer, Frank C.; Schleid, Thomas
In synthesis experiments for the preparation of Ln5F3[AsO3]4 representatives in evacuated glassy silica ampoules at temperatures of maximum 825 °C, surprisingly compounds with the composition Ln2F2[As2O5] could be obtained and subsequently also reproduced on target. The new Ln2F2[As2O5] representatives with Ln = La - Nd and Sm crystallize needle‐shaped in the monoclinic space group P21/c with lattice parameters ranging from a = 793.24(5) pm, b = 1346.39(9) pm, c = 1359.41(9) pm and β = 106.932(3)° for La2F2[As2O5] to a = 769.11(5) pm, b = 1307.50(9) pm, c = 1328.74(9) pm and β = 106.819(3)° for Sm2F2[As2O5] with Z = 8. Their crystal structure can be broken down into two parts consisting of infinite [Ln2F2]4+ and discrete [As2O5]4− units. Three distinct kinds of fluoride anions are trigonally planar surrounded by lanthanoid cations and another one carries even a fourth of them in their coordination sphere with a secondary contact resulting in a distorted tetrahedron. These [FLn3]8+ and [FLn3+1]11+ building blocks share common corners and edges creating strands
{[F2Ln2]4+}, which propagate along [100]. The four different As3+ lone‐pair cations form ψ1‐tetrahedra [AsO3]3− with three oxygen atoms and are conversurally linked pairwisely creating dinuclear pyroanionic [As2O5]4− units. These [As2O5]4− groups arrange themselves alternatingly along [100] with their lone pairs pointing into central empty channels. The
{[F2Ln2]4+} strands are linked to the [As2O5]4− units via four distinguishable Ln3+ cations providing them coordination numbers of eight and nine. Raman spectroscopy confirmed that no (OH)− groups resulting from the synthesis were present apt to replace part of the F− and the stoichiometry Ln2F2[As2O5] was verified using WDXS elemental analyses.