Mechanical behavior and residual stress field of dissimilar laser welded joints

The present investigation addresses the mechanical behavior and residual stress field of dissimilar joints produced by laser welding. Microstructure characterization and residual strain scanning, carried out by neutron diffraction, were used to assess the joints features. It was found that the heat source position influences the base metals dilution and the residual stress field associated to the welding process. The tensile behavior of the joint, different zones achieved by using a video-image based system (VIC-2D) reveals that the residual stress field, together with the positive difference in yield between the weld metal and the base materials protects the joint from being plastically deformed.

Microfabrication processes for microfluidic devices on a single laser Workstation: direct writing lithography on SU-8, laser ablation on polymers and mask manufacturing

We demonstrate the capability of a laser micromachining workstation for cost-effective manufacturing of a variety of microfluidic devices, including SU-8 microchannels on silicon wafers and 3D complex structures made on polyimide Kapton® or poly carbonate (PC). The workstation combines a KrF excimer laser at 248 nm and a Nd3+:YVO4 DPSS with a frequency tripled at 355 nm with a lens magnification 10X, both lasers working at a pulsed regime with nanoseconds (ns) pulse duration. Workstation also includes a high-resolution motorized XYZ-tilt axis (~ 1 um / axis) and a Through The Lens (TTL) imaging system for a high accurate positioning over a 120 x 120 mm working area. We have surveyed different fabrication techniques: direct writing lithography,mask manufacturing for contact lithography and polymer laser ablation for complex 3D devices, achieving width channels down to 13μ m on 50μ m SU-8 thickness using direct writing lithography, and width channels of 40 μm for polyimide on SiO2 plate. Finally, we have tested the use of some devices for capillary chips measuring the flow speed for liquids with different viscosities. As a result, we have characterized the presence of liquid in the channel by interferometric microscopy.

Representación 3D de petroglifos: propuesta de metodología de modelización de los grabados del Valle de Tamanart, Marruecos.

La modelización tridimensional se ha ido implementando como una de las mejores formas de documentación del patrimonio histórico. En concreto, en lo que se refiere a la documentación de petroglifos resulta especialmente interesante en su estudio y difusión. Actualmente, existen diversos métodos de obtener estos modelos 3D, que implican diferentes tipos de instrumental, como escáneres láser o cámaras fotográficas, material informático y software. En este Trabajo Fin de Máster se pretende obtener una visión general de estos métodos,así como proponer una metodología basada en la fotogrametría de objeto cercano, para las necesidades de un proyecto concreto: el proyecto Tamanart en Marruecos. Para ello se realizan dos pruebas; una de laboratorio y otra en el Museo Arqueológico Nacional, para comprobar la viabilidad de esta metodología y sus futuras aplicaciones. ABSTRACT: 3D modeling has been implemented in the last years as one of the best ways to document historical and cultural heritage. In particular, referring to petroglyph documentation it is specially interesting to its study and dissemination. Nowadays, there are several methods to obtain this 3D models that implies different kinds of instruments, like laser-scanners or photographic cameras and computer hardware and software. In the present Master’s Dissertation it is intended to obtain a general vision of this methods,as well as propose a methodology using closed range photogrammetry, based in the needs of a specific project: Tamanart Project, in Morocco. For this purpose two tests are made, one of them in laboratory and the other in the Museo Arqueológico Nacional, to check the feasibility of this methodology and their future applications.

Modelización 3D de la fachada principal del Monasterio de Santiago de Uclés.

El objetivo de este Proyecto Fin de Carrera (PFC) es obtener la representación tridimensional de la fachada principal del Monasterio de Santiago de Uclés, monumento de interés histórico y artístico. En concreto se ha elegido la fachada principal construida por Pedro de Ribera por ser representativa del Monasterio y del estilo churrigueresco. Con la tecnología láser escáner, se va a obtener un modelo 3D sobre el que se pueden realizar las medidas necesarias para proyectos de conservación, así como obtener productos con una función divulgativa. El día 14 de Octubre de 2014, se realizó la toma de datos. El levantamiento se llevó a cabo con el equipo de laser escáner Trimble TX5, con la pre-señalización necesaria para realizar una posterior fusión de los mismos (dianas esféricas y cuadradas) y utilizando equipos GNSS Trimble modelos R10, R8 y R6 para la geo-referenciación del proyecto. La técnica utilizada es la que denominamos levantamiento de alta precisión mediante Laser Escáner, que nos permite obtener resultados que aportan una representación fiel del objeto y un levantamiento de los puntos necesarios mediante tecnología GNSS en estático y postproceso, para obtener las coordenadas en el sistema ETRS89 proyección UTM Huso 30 que permitan geo-referenciar el proyecto.

INFLUÊNCIA DO LASER DE BAIXA INTENSIDADE NA VELOCIDADE DA MOVIMENTAÇÃO ORTODÔNTICA

Este estudo investigou os efeitos do laser de baixa intensidade na velocidade da movimentação ortodôntica de caninos submetidos à retração inicial. A amostra constou de 26 caninos superiores e inferiores, submetidos à retração inicial realizada com mola Niti, com força de 150g. Um dos caninos foi irradiado com laser de diodo, seguindo o protocolo de aplicação: 780nm/20mW/5Jcm2/0,2J por ponto/Et=2J, nos dias 0, 3 e 7 pós-ativação, sendo que o contralateral foi considerado placebo. A retração durou em média 4 meses, num total de 9 aplicações de laser. Os modelos de cada mês foram escaneados com scanner 3D (3Shape) e as imagens tridimensionais foram analisadas por meio do Software Geomagic Studio 5, para a mensuração da quantidade de movimentação dos caninos retraídos. Foi empregada a Análise de Variância a três critérios, seguida pelo teste de Tukey (p<0,05). Para verificação da integridade tecidual, foram efetuadas radiografias periapicais iniciais e finais dos caninos retraídos e dos molares, nas quais foram avaliados uma possível reabsorção na crista alveolar, por meio da distância da crista óssea alveolar até a junção cemento-esmalte e os níveis de reabsorção radicular, por meio do índice de Levander e Malmgreen, sendo este último avaliado somente nos caninos retraídos. Para isto, foi empregado o teste não paramétrico de Wilcoxon (p<0,05). Os resultados indicaram que houve um aumento estatisticamente significante na velocidade da movimentação dos caninos irradiados comparados ao seu contralateral, em todos os tempos avaliados, como também a preservação da integridade tecidual. Com isso, concluiu-se que o laser de diodo pode acelerar a movimentação ortodôntica, podendo contribuir para a diminuição do tempo de tratamento.(AU)

INFLUÊNCIA DO LASER DE BAIXA INTENSIDADE NA VELOCIDADE DA MOVIMENTAÇÃO ORTODÔNTICA

Este estudo investigou os efeitos do laser de baixa intensidade na velocidade da movimentação ortodôntica de caninos submetidos à retração inicial. A amostra constou de 26 caninos superiores e inferiores, submetidos à retração inicial realizada com mola Niti, com força de 150g. Um dos caninos foi irradiado com laser de diodo, seguindo o protocolo de aplicação: 780nm/20mW/5Jcm2/0,2J por ponto/Et=2J, nos dias 0, 3 e 7 pós-ativação, sendo que o contralateral foi considerado placebo. A retração durou em média 4 meses, num total de 9 aplicações de laser. Os modelos de cada mês foram escaneados com scanner 3D (3Shape) e as imagens tridimensionais foram analisadas por meio do Software Geomagic Studio 5, para a mensuração da quantidade de movimentação dos caninos retraídos. Foi empregada a Análise de Variância a três critérios, seguida pelo teste de Tukey (p<0,05). Para verificação da integridade tecidual, foram efetuadas radiografias periapicais iniciais e finais dos caninos retraídos e dos molares, nas quais foram avaliados uma possível reabsorção na crista alveolar, por meio da distância da crista óssea alveolar até a junção cemento-esmalte e os níveis de reabsorção radicular, por meio do índice de Levander e Malmgreen, sendo este último avaliado somente nos caninos retraídos. Para isto, foi empregado o teste não paramétrico de Wilcoxon (p<0,05). Os resultados indicaram que houve um aumento estatisticamente significante na velocidade da movimentação dos caninos irradiados comparados ao seu contralateral, em todos os tempos avaliados, como também a preservação da integridade tecidual. Com isso, concluiu-se que o laser de diodo pode acelerar a movimentação ortodôntica, podendo contribuir para a diminuição do tempo de tratamento.(AU)

Análise in vitro da morfologia e da resistência de união da resina composta à dentina erodida e irradiada com laser de Er:YAG com largura de pulso super curta

Lesões dentais por erosão têm sido cada vez mais presentes na prática clínica. A restauração direta com resina composta é uma das opções de tratamento para lesões severas, em que há comprometimento estético/funcional. Com o aprimoramento da tecnologia, a utilização do laser para pré-tratamento da superfície dentinária, antes do condicionamento ácido, tem sido considerada como método alternativo para melhorar a adesão das resinas compostas às superfícies erodidas. Assim, o objetivo deste estudo in vitro foi avaliar a influência da irradiação com laser de Er:YAG (2,94 ?m), de pulso super-curto, na adesão da resina composta à superfície dentinária erodida. Quarenta e seis discos de dentina foram obtidos a partir de 46 dentes terceiros molares humanos. A dentina oclusal planificada de 40 molares humanos teve metade de sua face protegida com fita UPVC (dentina hígida), enquanto na outra metade foi produzida uma lesão de erosão através da ciclagem em ácido cítrico (0,05 M, pH 2,3, 10 minutos, 6x/dia) e solução supersaturada (pH 7,0, 60 minutos entre os ataques ácidos). Metade das amostras foi irradiada com o laser de Er:YAG (50 ?s, 2 Hz, 80 mJ, 12,6 J/cm2) e a outra não (grupo controle). Em cada grupo de tratamento (laser ou controle) (n=10), um sistema adesivo autocondicionante foi utilizado e, então, confeccionados 2 cilindros de resina composta, tanto do lado erodido como no hígido (total de 4 cilindros), os quais foram submetidos à avaliação da Resistência de União através do ensaio de microcisalhamento (1 mm/min), após armazenamento em saliva artificial por 24 h. A análise do padrão de fratura foi realizada em microscópio óptico (40x). Por meio da Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), a morfologia das superfícies dentinárias hígida e submetida ao desafio erosivo, antes e após o tratamento com laser de Er:YAG (n=3), foi avaliada. Os valores obtidos de resistência de união (MPa) foram submetidos ao teste ANOVA e de comparações múltiplas de Tukey (p<0,05) e as análises das eletromicrografias foram feitas de forma descritiva. A análise morfológica da superfície mostrou alterações significativas na dentina hígida irradiada e na submetida à ciclagem erosiva, irradiada ou não. Quanto à resistência de união, houve diferença entre os 4 substratos analisados, sendo: dentina hígida irradiada (12,77±5,09 A), dentina hígida não irradiada (9,76±3,39 B), dentina erodida irradiada (7,62±3,39 C) e dentina erodida não irradiada (5,12±1,72 D). Houve predominância de padrão de fratura do tipo adesiva. Com base nos resultados e nos parâmetros de irradiação utilizados neste estudo, pode-se concluir que a erosão reduz a adesão em dentina e que o tratamento da superfície dentinária com laser de Er:YAG de largura de pulso super curta aumenta a adesão no substrato erodido ou hígido.

Efeitos da soldagem por laser de fibra de Yb na microestrutura do compósito A356/SiCp

Materiais compósitos são projetados e fabricados para várias aplicações de alto desempenho, incluindo componentes para os segmentos automobilístico, aeroespacial, aeronáutico, naval, de defesa, de óleo e gás, energia eólica e até equipamentos esportivos. Porém, a união por soldagem de Compósitos de Matriz Metálica de Alumínio (Al-CMM) ainda é um grande obstáculo para a maior disseminação desta classe de materiais estruturais. As mudanças microestruturais decorrentes do ciclo de soldagem e/ou do tratamento térmico afetam sensivelmente as propriedades mecânicas e físico-químicas finais da junta e do metal base nas proximidades de mesma, daí a importância de se estudar a evolução microestrutural que prospera nestas etapas. O presente trabalho caracterizou a microestrutura do compósito liga-A356/SiCp soldado por laser de fibra de Itérbio, empregando-se nessa tarefa técnicas de microscopia óptica, radiografia e microscopia eletrônica de varredura, assim como difração de raios-X e de elétrons retroespalhados, ensaio instrumentado de dureza e microtomografia computadorizada. O foco das análises realizadas restringiu-se à geometria dos cordões de solda, à expulsão de SiC particulado da zona soldada, à volatilização de elementos químicos da poça de soldagem, à formação de precipitados fragilizantes de Al4SiC4 em formato de agulhas no cordão de solda e à determinação das regiões com concentração de poros, todos estes fenômenos tendo efeitos nocivos, em maior ou menor extensão, no desempenho global da junta do Al-CMM soldada a laser, notadamente em suas propriedades mecânicas e eletroquímicas.

3D-based reconstruction using growing neural gas landmark: application to rapid prototyping in shoe last manufacturing

Customizing shoe manufacturing is one of the great challenges in the footwear industry. It is a production model change where design adopts not only the main role, but also the main bottleneck. It is therefore necessary to accelerate this process by improving the accuracy of current methods. Rapid prototyping techniques are based on the reuse of manufactured footwear lasts so that they can be modified with CAD systems leading rapidly to new shoe models. In this work, we present a shoe last fast reconstruction method that fits current design and manufacturing processes. The method is based on the scanning of shoe last obtaining sections and establishing a fixed number of landmarks onto those sections to reconstruct the shoe last 3D surface. Automated landmark extraction is accomplished through the use of the self-organizing network, the growing neural gas (GNG), which is able to topographically map the low dimensionality of the network to the high dimensionality of the contour manifold without requiring a priori knowledge of the input space structure. Moreover, our GNG landmark method is tolerant to noise and eliminates outliers. Our method accelerates up to 12 times the surface reconstruction and filtering processes used by the current shoe last design software. The proposed method offers higher accuracy compared with methods with similar efficiency as voxel grid.

3D models created from ROV videos and their corresponding subtransect dimensions

Underwater video transects have become a common tool for quantitative analysis of the seafloor. However a major difficulty remains in the accurate determination of the area surveyed as underwater navigation can be unreliable and image scaling does not always compensate for distortions due to perspective and topography. Depending on the camera set-up and available instruments, different methods of surface measurement are applied, which make it difficult to compare data obtained by different vehicles. 3-D modelling of the seafloor based on 2-D video data and a reference scale can be used to compute subtransect dimensions. Focussing on the length of the subtransect, the data obtained from 3-D models created with the software PhotoModeler Scanner are compared with those determined from underwater acoustic positioning (ultra short baseline, USBL) and bottom tracking (Doppler velocity log, DVL). 3-D model building and scaling was successfully conducted on all three tested set-ups and the distortion of the reference scales due to substrate roughness was identified as the main source of imprecision. Acoustic positioning was generally inaccurate and bottom tracking unreliable on rough terrain. Subtransect lengths assessed with PhotoModeler were on average 20% longer than those derived from acoustic positioning due to the higher spatial resolution and the inclusion of slope. On a high relief wall bottom tracking and 3-D modelling yielded similar results. At present, 3-D modelling is the most powerful, albeit the most time-consuming, method for accurate determination of video subtransect dimensions.

Experimental investigation of interface states and photovoltaic effects on the scanning capacitance microscopy measurement for p-n junction dopant profiling

Controlled polishing procedures were used to produce both uniformly doped and p-n junction silicon samples with different interface state densities but identical oxide thicknesses. Using these samples, the effects of interface states on scanning capacitance microscopy (SCM) measurements could be singled out. SCM measurements on the junction samples were performed with and without illumination from the atomic force microscopy laser. Both the interface charges and the illumination were seen to affect the SCM signal near p-n junctions significantly. SCM p-n junction dopant profiling can be achieved by avoiding or correctly modeling these two factors in the experiment and in the simulation. (c) 2005 American Institute of Physics.

Systematic selection of solvents for the fabrication of 3D combined macro- and microporous polymeric scaffolds for soft tissue engineering

In this study, we investigate the fabrication of 3D porous poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) scaffolds using the thermally-induced phase separation technique. The current study focuses on the selection of alternative solvents for this process using a number of criteria, including predicted solubility. toxicity, removability and processability. Solvents were removed via either vacuum freeze-drying or leaching, depending on their physical properties. The residual solvent was tested using gas chromatography-mass spectrometry. A large range of porous, highly interconnected scaffold architectures with tunable pore size and alignment was obtained, including combined macro- and microporous structures and an entirely novel 'porous-fibre' structure. The morphological features of the most promising poly(lactic-co-glycolic acid) scaffolds were analysed via scanning electron microscopy and X-ray micro-computed tomography in both two and three dimensions. The Young's moduli of the scaffolds under conditions of temperature, pH and ionic strength similar to those found in the body were tested and were found to be highly dependent on the architectures.

INFLUÊNCIA DO LASER DE BAIXA INTENSIDADE NA VELOCIDADE DA MOVIMENTAÇÃO ORTODÔNTICA

Este estudo investigou os efeitos do laser de baixa intensidade na velocidade da movimentação ortodôntica de caninos submetidos à retração inicial. A amostra constou de 26 caninos superiores e inferiores, submetidos à retração inicial realizada com mola Niti, com força de 150g. Um dos caninos foi irradiado com laser de diodo, seguindo o protocolo de aplicação: 780nm/20mW/5Jcm2/0,2J por ponto/Et=2J, nos dias 0, 3 e 7 pós-ativação, sendo que o contralateral foi considerado placebo. A retração durou em média 4 meses, num total de 9 aplicações de laser. Os modelos de cada mês foram escaneados com scanner 3D (3Shape) e as imagens tridimensionais foram analisadas por meio do Software Geomagic Studio 5, para a mensuração da quantidade de movimentação dos caninos retraídos. Foi empregada a Análise de Variância a três critérios, seguida pelo teste de Tukey (p<0,05). Para verificação da integridade tecidual, foram efetuadas radiografias periapicais iniciais e finais dos caninos retraídos e dos molares, nas quais foram avaliados uma possível reabsorção na crista alveolar, por meio da distância da crista óssea alveolar até a junção cemento-esmalte e os níveis de reabsorção radicular, por meio do índice de Levander e Malmgreen, sendo este último avaliado somente nos caninos retraídos. Para isto, foi empregado o teste não paramétrico de Wilcoxon (p<0,05). Os resultados indicaram que houve um aumento estatisticamente significante na velocidade da movimentação dos caninos irradiados comparados ao seu contralateral, em todos os tempos avaliados, como também a preservação da integridade tecidual. Com isso, concluiu-se que o laser de diodo pode acelerar a movimentação ortodôntica, podendo contribuir para a diminuição do tempo de tratamento.(AU)

Direct femtosecond laser inscription in transparent dielectrics

Since 1996 direct femtosecond inscription in transparent dielectrics has become the subject of intensive research. This enabling technology significantly expands the technological boundaries for direct fabrication of 3D structures in a wide variety of materials. It allows modification of non-photosensitive materials, which opens the door to numerous practical applications. In this work we explored the direct femtosecond inscription of waveguides and demonstrated at least one order of magnitude enhancement in the most critical parameter - the induced contrast of the refractive index in a standard borosilicate optical glass. A record high induced refractive contrast of 2.5×10-2 is demonstrated. The waveguides fabricated possess one of the lowest losses, approaching level of Fresnel reflection losses at the glassair interface. High refractive index contrast allows the fabrication of curvilinear waveguides with low bend losses. We also demonstrated the optimisation of the inscription regimes in BK7 glass over a broad range of experimental parameters and observed a counter-intuitive increase of the induced refractive index contrast with increasing translation speed of a sample. Examples of inscription in a number of transparent dielectrics hosts using high repetition rate fs laser system (both glasses and crystals) are also presented. Sub-wavelength scale periodic inscription inside any material often demands supercritical propagation regimes, when pulse peak power is more than the critical power for selffocusing, sometimes several times higher than the critical power. For a sub-critical regime, when the pulse peak power is less than the critical power for self-focusing, we derive analytic expressions for Gaussian beam focusing in the presence of Kerr non-linearity as well as for a number of other beam shapes commonly used in experiments, including astigmatic and ring-shaped ones. In the part devoted to the fabrication of periodic structures, we report on recent development of our point-by-point method, demonstrating the shortest periodic perturbation created in the bulk of a pure fused silica sample, by using third harmonics (? =267 nm) of fundamental laser frequency (? =800 nm) and 1 kHz femtosecond laser system. To overcome the fundamental limitations of the point-by-point method we suggested and experimentally demonstrated the micro-holographic inscription method, which is based on using the combination of a diffractive optical element and standard micro-objectives. Sub-500 nm periodic structures with a much higher aspect ratio were demonstrated. From the applications point of view, we demonstrate examples of photonics devices by direct femtosecond fabrication method, including various vectorial bend-sensors fabricated in standard optical fibres, as well as a highly birefringent long-period gratings by direct modulation method. To address the intrinsic limitations of femtosecond inscription at very shallow depths we suggested the hybrid mask-less lithography method. The method is based on precision ablation of a thin metal layer deposited on the surface of the sample to create a mask. After that an ion-exchange process in the melt of Ag-containing salts allows quick and low-cost fabrication of shallow waveguides and other components of integrated optics. This approach covers the gap in direct fs inscription of shallow waveguide. Perspectives and future developments of direct femtosecond micro-fabrication are also discussed.

Advanced UV inscribed fibre grating structures and applications in optical sensing and laser systems

This thesis presents detailed investigation of UV inscribed fibre grating based devices and novel developments in the applications of such devices in optical sensing and fibre laser systems. The major contribution of this PhD programme includes the systematic study on fabrication, spectral characteristics and applications of different types of UV written in-fibre gratings such as Type I and IA Fibre Bragg Gratings (FBGs), Chirped Fibre Bragg Gratings (CFBGs) and Tilted Fibre Gratings (TFGs) with small, large and 45º tilted structures inscribed in normal silica fibre. Three fabrication techniques including holographic, phase-mask and blank beam exposure scanning, which were employed to fabricate a range of gratings in standard single mode fibre, are fully discussed. The thesis reports the creation of smart structures with self-sensing capability by embedding FBG-array sensors in Al matrix composite. In another part of this study, we have demonstrated the particular significant improvements made in sensitising standard FBGs to the chemical surrounding medium by inducing microstructure to the grating by femtosecond (fs) patterning assisted chemical etching technique. Also, a major work is presented for the investigation on the structures, inscription methods and spectral Polarisation Dependent Loss (PDL) and thermal characteristics of different angle TFGs. Finally, a very novel application in realising stable single polarisation and multiwavelength switchable Erbium Doped Fibre Lasers (EDFLs) using intracavity polarisation selective filters based on TFG devices with tilted structures at small, large and exact 45° angles forms another important contribution of this thesis.