TMS 2026 155th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings
- 2026
- Buch
- Herausgegeben von
- The Minerals, Metals & Materials Society
- Buchreihe
- The Minerals, Metals & Materials Series
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
Über dieses Buch
Diese Sammlung präsentiert Beiträge von der 155. Jahrestagung & Ausstellung der Minerals, Metals & Materials Society.
Mit KI übersetzt
Über dieses Buch
This collection presents papers from the 155th Annual Meeting & Exhibition of The Minerals, Metals & Materials Society.
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Inhaltsverzeichnis
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2D Materials—Preparation, Properties, Modeling and Applications
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Ab Initio Molecular Dynamics Investigation of Moisture-Induced Surface Degradation in FAPbI3 Perovskite: Role of Water Adsorption and Surface Termination
M. Atikur Rahman, Zhonghua Peng, Masud H. ChowdhuryDieses Kapitel befasst sich mit dem feuchtigkeitsinduzierten Abbau von FAPbI3-Perowskit und konzentriert sich auf die Wechselwirkung von Wassermolekülen mit unterschiedlichen Oberflächenendungen. Die Studie nutzt von Anfang an molekulardynamische Simulationen, um zu untersuchen, wie Wasser die Perowskit-Struktur adsorbiert und durchdringt, was zu strukturellen Verzerrungen und Veränderungen elektronischer Eigenschaften führt. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen die Anfälligkeit von PbI2-terminierten Oberflächen für Wasseradsorption, die zu einer erheblichen Zerstörung führt, und die teilweise Resistenz, die FAI-terminierte Oberflächen bieten. Die Forschungsergebnisse zeigen auch, wie die Belastung durch Wasser die Bandlücke vergrößert und die elektronische Bandstruktur verändert, was den Ladungstransport beeinträchtigt. Die Schlussfolgerungen unterstreichen die Bedeutung der Oberflächentechnik zur Verbesserung der Feuchtigkeitsstabilität von Geräten auf Perowskit-Basis und liefern entscheidende Erkenntnisse für die Entwicklung robusterer und effizienterer Materialien für optoelektronische Anwendungen.KI-Generiert
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AbstractFormamidinium lead iodide (FAPbI₃) perovskites hold great promise in next-generation optoelectronic devices due to their superior optical and electronic properties. However, their long-term environmental stability—particularly against moisture—remains a critical challenge. In this study, we employed ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations using the CP2K package to investigate the interaction between a FAPbI3 perovskite slab and water molecules. We explored the structural evolution of the water/perovskite interface under thermal conditions to understand the initial stages of degradation. FAPbI3 with two different termination systems has been considered for this study to assess their effect. The simulations reveal that water molecules, which initially reside above the surface, gradually adsorb toward the lattice and form coordination bonds with undercoordinated surface Pb2⁺ ions in the PbI2-terminated system. This Pb–O bonding indicates the onset of chemical degradation, leading to distortion of the PbI6 octahedral network. AIMD results show that water forms hydrogen bonds with FA⁺ cations on the FAI-terminated FAPbI3 surface, offering partial protection but still allowing gradual moisture-driven degradation. Water exposure widens the bandgap of FAPbI3, flattens its bands, and alters k-point symmetry, thereby reducing charge transport efficiency compared to pure FAPbI3. Our findings provide a fundamental understanding of moisture-induced degradation mechanisms in FAPbI3 and highlight the importance of surface engineering to enhance perovskite device stability under humid conditions. -
Electro-Thermal Modeling of Heat Distribution in PEEK-Encased Cylindrical Li-Ion Batteries Under Varying Discharge Rates
Kagiso Mampa, Patricia Popoola, Raji Sadiq, Abidemi Adeyoye, Modupeola DadaDieses Kapitel befasst sich mit der elektrothermischen Modellierung der Wärmeverteilung in PEEK-ummantelten zylindrischen Li-Ionen-Batterien mit unterschiedlichen Entladungsraten. Schlüsselthemen sind die Notwendigkeit erneuerbarer Energiespeicherlösungen, die Rolle von Energiespeichern (ESS) bei der Stabilisierung der Energieversorgung und die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem thermischen Management von Li-Ionen-Batterien. Die Studie verwendet Fouriers Wärmeleitgleichung und Simulationen der Finite-Elemente-Methode, um die Temperaturverteilung und das Spannungsverhalten während der Ladungs-Entladungszyklen zu analysieren. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung des Verständnisses von Materialeigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit und spezifischer Wärmekapazität bei der Vorhersage der Batterieleistung. Die Analyse zeigt, dass richtiges Thermomanagement die Lebensdauer und Sicherheit der Batterien erheblich verbessern kann, was den Weg für Fortschritte in der Kühlsystemforschung ebnet. Durch die Untersuchung der Auswirkungen von Strukturelementen auf die thermische Verteilung bietet diese Studie wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung von Batteriedesign und -leistung in realen Anwendungen.KI-Generiert
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AbstractLi-ion batteries are widely used in electric vehicles and portable electronics because of their long cycle life, high energy density, and lack of memory effect. However, non-uniform and elevated temperatures during charge and discharge cycles limit the battery performance. To address temperature distribution issues, his study presents an electro-thermal finite element model of an 18,650 cylindrical lithium-ion battery encased in polyether ether ketone (PEEK), using COMSOL Multiphysics. The model makes use of a two-dimensional lumped thermal-electrochemical model to predict transient temperature and voltage distributions under varying discharge rates. The model also takes into account the generation of heat as a result of irreversible entropy and Joule effects and simulates natural convective cooling. Under the operating conditions, the model monitors the state of charge, voltage losses, surface temperature, cell potential load, and core temperature. The pack performed well during discharge and charge operations, according to the results. The study discovered that the maximum battery temperature and difference are highly influenced by the discharge rate, ambient temperature, and heat transfer coefficient. The model predicts the maximum temperature difference of approximately 14.70 K at 2000 S. The study provides insight into the design of thermal management systems for cylindrical Li-ion cells and future cooling strategies.
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Additive Manufacturing and Innovative Feedstock Processing for Multifunctional Materials
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Atomised NiTiTa from Elemental Powders for Additive Manufacturing of Biomedical Components
Londiwe Motibane, Donald Mkhonto, Lerato Tshabalala, Thorsten H. BeckerDieses Kapitel befasst sich mit der Herstellung von NiTiTa-Pulvern für die additive Fertigung und konzentriert sich dabei auf zwei Gießstrategien und deren Auswirkungen auf Mikrostruktur und Phasenzusammensetzung. Die Studie nutzt Ultraschallzerstäubung, um Pulver mit wünschenswerten Eigenschaften für biomedizinische Anwendungen zu erzeugen. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen die erfolgreiche Herstellung von Pulvern mit geeigneter Fließfähigkeit und Partikelgrößenverteilung sowie die Identifizierung unterschiedlicher Phasenzusammensetzungen und Umwandlungstemperaturen. Das Kapitel untersucht auch die Auswirkungen der Verdunstung auf die Pulverchemie und schlägt Bereiche für weitere Untersuchungen vor. Darüber hinaus unterstreicht die Studie das Potenzial der Ultraschallzerstäubung zur Herstellung homogener NiTiTa-Pulver mit wünschenswertem Phasentransformationsverhalten, was sie zu einer vielversprechenden Methode für eine fortschrittliche Fertigung im biomedizinischen Bereich macht.KI-Generiert
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AbstractReadily available feedstock for Additive Manufacturing (AM) is in high demand as the technology advances and finds more applications worldwide. As such, the field of designing advanced alloys tailored for AM requires powder feedstocks engineered for both printability and application-specific performance. Nitinol (NiTi) is a shape-memory alloy that is biocompatible, super-elasticity, and exhibits the shape-memory effect; however, its functional window remains narrow for next-generation implants. Here we refine NiTi through ternary alloying with tantalum to create NiTiTa powder using ultrasonic atomisation under a highly controlled inert atmosphere on an Amazemet rePowder platform. To accommodate the disparate melting points and suppress elemental evaporation, two alloying strategies are considered and discussed: Ni, Ti and Ta mix, and Ti and Ta mix with the addition of Ni in the second phase of casting. Cast-rod microstructures, powder morphology, NiTi (D₅₀ ≈ 51 µm), and chemical composition (Ni 51.78, Ti 46.24 and Ta 1.98 wt.%) were characterised by SEM-EDS and XRD. Differential scanning calorimetry revealed a tailored martensitic transformation range (As ≈ 28 °C) suitable for physiological conditions. XRD confirmed predominant B2 and B19′ phases with minor Ta peaks. The findings confirm the feasibility of producing homogeneous, AM-ready NiTiTa powders, providing the foundation for forthcoming laser powder bed fusion trials aimed at patient-specific biomedical devices.
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Additive Manufacturing Fatigue and Fracture
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Fatigue Indicators of Heat-Resistant Nickel Alloy Samples Obtained by Selective Laser Powder Fusion
Valeriy Naumyk, Oleksii Pedash, Kasay Pavlo, Denis Bilionok, Dmytro PavlenkoDieses Kapitel untersucht die Ermüdungseigenschaften hitzebeständiger Proben aus Nickellegierungen, insbesondere Inconel 718, die durch selektives Laserschmelzen (SLM) hergestellt werden, und vergleicht sie mit Proben, die durch traditionelle Warmwalzmethoden hergestellt werden. Die Studie konzentriert sich auf Low-Cycle-Ermüdungstests (LCF), die bei Raumtemperatur (20 ° C) und erhöhter Temperatur (550 ° C) durchgeführt werden und untersucht die Auswirkungen von Stressamplitude, Kerbempfindlichkeit und verschiedenen Pulverherstellungsmethoden. Schlüsselergebnisse zeigen, dass SLM-Proben bei Raumtemperatur, insbesondere solche aus Gaszerstäubungspulvern, eine bessere Haltbarkeit aufweisen als deformierte Materialien, insbesondere bei höheren Spannungen. Bei erhöhten Temperaturen jedoch wird die Leistung der SLM-Proben mit herkömmlichen Methoden vergleichbar, wobei Gaszerstäubungspulver Ergebnisse zeigen, die deformierten Materialien ähneln. Das Kapitel hebt auch die unterschiedliche Kerbempfindlichkeit zwischen den verschiedenen Probentypen hervor, wobei PREP-Pulverproben die geringste Empfindlichkeit aufweisen. Darüber hinaus konstruiert die Studie Ermüdungskurven mit geringem Zyklus in semi-logarithmischen Koordinaten, die eine visuelle Darstellung der Spannungsamplitude im Verhältnis zur Anzahl der Zyklen bis zum Scheitern liefern. Die Schlussfolgerungen unterstreichen das Potenzial der SLM-Technologie bei der Herstellung von Hochleistungsteilen für die Luftfahrt und bieten Einblicke in die strukturelle Integrität und Haltbarkeit von Materialien, die durch additive Technologien hergestellt werden.KI-Generiert
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AbstractThe fatigue indices of samples obtained by selective laser fusion were studied in comparison with the indices of the material obtained by traditional methods (hot deformation). Powders obtained by vacuum gas atomization of the melt and centrifugal plasma rotation of the metal blanks were used. Based on experimental results, the limit of limited endurance for a given level of durability for smooth samples and samples with a notch was determined. It was established that under the conditions of testing smooth samples and samples with a notch at 20 °C on the bases of 1 × 103 and 5 × 103 cycles, higher indicators of limited endurance are demonstrated by powder materials. Further increase in the test bases demonstrated that the deformed material provides higher indicators. Calculations for elevated temperatures (550 °C) showed a small difference (within 10–12%) in the limited endurance limit values obtained on smooth and notched specimens between all experimental variants.
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Additive Manufacturing Materials, Processes and Applications for Energy Industry
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Harnessing Potential in Additive Manufacturing for Usage on Reusable Rocket Engines
Lal BahadurDieses Kapitel untersucht das transformative Potenzial der additiven Fertigung, insbesondere des 3D-Drucks, bei der Herstellung wiederverwendbarer Raketentriebwerke. Sie zeigt auf, wie diese Technologie Prototypen rationalisieren, Kosten senken und Abfall minimieren kann, was sie zu einer bahnbrechenden Entwicklung für die Luft- und Raumfahrtindustrie macht. Der Text enthält eine detaillierte Klassifizierung der Selective Laser Sintering (SLS) -Technologie und skizziert ihr Prozessmodell sowie wichtige Kennzahlen wie Baugeschwindigkeit, Schichtdicke und Oberflächenrauheit. Er diskutiert auch die Fortschritte in der SLS-Technologie im Laufe der Zeit, einschließlich Verbesserungen bei Baugeschwindigkeit und Schichtdicke, und die theoretischen Grenzen dieser Leistungskennzahlen. Das Kapitel untersucht die Anwendung der SLS-Technologie in wiederverwendbaren Raketen, präsentiert einen Fahrplan für ihre Umsetzung und diskutiert die strategischen Investitionen, die erforderlich sind, um die aktuellen Herausforderungen zu bewältigen. Er schließt mit einer Vision für die Zukunft des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrtindustrie und betont die Notwendigkeit strategischer Investitionen in fortschrittliche Technologien und innovative Materialien, um Effizienz und Erschwinglichkeit zu steigern.KI-Generiert
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Abstract3D printing, or additive manufacturing, is an ordinary yet disruptive innovation transforming traditional manufacturing with potential usage on reusable rocket engines by using superalloys to create high-efficiency material composition. 3D printing builds intricate designs and allows process controls previously unthinkable. Additive manufacturing technology has significantly reduced the time and complexity of complicated assemblies, allowing parts to be made on demand for reusable rockets. This technology has also changed cost structures by eliminating the need for non-recurring investments in molds, tools, and setups while minimizing waste and supporting sustainability. This paper provides the Selective Laser Sintering (SLS) 3D printing roadmap, application, decomposition into subsystems, characterization through Figures of Merit (FOMs), and the 3D printing processes (modeling, printing, post-processing). The paper draws attention to intricate shape designs and enhanced producibility of complex parts. The covered principles include stereolithography, digital light processing, and selective laser sintering.
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Additive Manufacturing Modeling, Simulation and Artificial Intelligence
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BOF Endpoint Carbon Content Prediction Based on Data and Mechanism Driven
Zhengbiao Hu, Changhe Li, Tingting Lu, Lili JiangDieses Kapitel untersucht die Entwicklung und Validierung eines Hybridmodells zur Vorhersage des Endpunkts des Kohlenstoffgehalts in der Konverterstahlerzeugung. Das Modell kombiniert mechanismus- und datengestützte Ansätze, um die Präzision der Vorhersagen zu verbessern. Zu den Schlüsselthemen zählen die Konstruktion eines mechanismusgetriebenen Modells unter Verwendung eines genetischen Algorithmus zur Parameteroptimierung, die Integration eines zufälligen, datengetriebenen Waldmodells und die Verwendung der bayesianischen Optimierung zur Hyperparameteroptimierung. Das Kapitel präsentiert außerdem einen umfassenden Versuchsaufbau und die Ergebnisse, in denen die Leistung des Hybridmodells mit den eigenständigen mechanismus- und datengetriebenen Modellen verglichen wird. Die Ergebnisse zeigen signifikante Verbesserungen bei Trefferquoten und Fehlerkennzahlen, was die überlegene Vorhersagefähigkeit und Verallgemeinerungsfähigkeit des Modells unterstreicht. Dieser hybride Ansatz bietet ein zuverlässiges Werkzeug zur Verbesserung der Endpunktsteuerung im Konverterbetrieb und steigert letztlich die Produktionseffizienz im Stahlherstellungsprozess.KI-Generiert
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AbstractThe accurate prediction of end-point carbon content is a key technology for realizing the intelligentization of the converter steelmaking process. However, the practical application of mechanism model (MM) is often limited by the difficulty of determining their hyperparameters, while purely data-driven models generally lack interpretability. To overcome these limitations, this study proposes a hybrid model (HM) that integrates mechanism-based and data-driven approaches. Specifically, unmeasurable parameters in the mechanism model are optimized using a genetic algorithm, after which the mechanism model is coupled with a random forest (RF) to construct the hybrid framework. The results demonstrate that the hybrid model substantially outperforms both stand-alone mechanism-based and purely data-driven models. Within the error interval of (− 0.006, 0.006), the prediction hit rate reached 78.5%, and within (− 0.01, 0.01), it reached 94.0%. Compared with alternative models, the hybrid approach achieved the best performance, with a mean absolute error (MAE) of 3.97% and a root mean square error (RMSE) of 5.19%, thereby confirming its effectiveness. -
Impact of Intermittent Laser on Thermal History in Directed Energy Deposition: A Numerical Study
Prashant Kumar, Yachao WangDieses Kapitel untersucht die Auswirkungen intermittierender Laserstrategien auf die thermische Geschichte während der Directed Energy Deposition (DED), eines kritischen additiven Herstellungsprozesses. Mittels numerischer Simulationen vergleicht er kontinuierliche und intermittierende Lasermodi, wobei er sich auf Temperaturverteilung, Schmelzpoolmorphologie, Geschwindigkeit und Druckkonturen konzentriert. Die Studie zeigt, dass intermittierende Laser eine bessere Kontrolle über die Hitzeeinflusszone (HAZ) bieten und schnellere Abkühlraten fördern, was zu feineren Kornstrukturen und verbesserten mechanischen Eigenschaften führt. Zu den wichtigsten Erkenntnissen zählen die niedrigere Maximaltemperatur und die höhere Druckverteilung intermittierender Laser, die zu einem optimierten Schmelzbad und verringerter Defektbildung beitragen. Darüber hinaus werden in diesem Kapitel die Auswirkungen angepasster kontinuierlicher Lasermodi untersucht und umfassend analysiert, wie unterschiedliche Laserstrategien die allgemeine Qualität und Leistung additiv gefertigter Bauteile beeinflussen. Die Ergebnisse sind insbesondere für Branchen relevant, die eine hochpräzise Fertigung erfordern, wie Luft- und Raumfahrt und Automobil, wo kontrollierte Wärmeeinträge und präzise Schmelzzonen für eine lange Lebensdauer hochwertiger Bauteile unverzichtbar sind.KI-Generiert
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AbstractDED (directed energy deposition) techniques have recently been implemented across various industries. The advantages of DED technology enable the production of complex geometries, making it particularly useful for manufacturing performance critical components, such as medical components, aerospace, and automotive parts. Numerous studies have investigated heat transfer and cooling history in DED. These parametric factors such as temperature, velocity, pressure and melting pool size are closely linked to the results of microstructure and mechanical properties. Recent studies have shown that using intermittent laser modes potentially improves the velocity and pressure in melt pools and rapid changes in cooling rates. That helps the stabilization in melt pools leads to enhanced microstructure and mechanical properties, but the underlying mechanism involving thermal history is not fully understood. It is challenging to track the complete thermal history through experimental studies. Therefore, a numerical model is proposed to predict melt pool size and temperature distribution that is affecting the solidification and cooling process, for both continuous and intermittent laser modes in DED of 316L stainless steel. Simulation models are studied for different laser modes, showing a significant effect on surface temperature distribution. This contributes to molten pool formation and influences velocity and pressure, thereby affecting the contour patterns. The effects of shock mechanism in intermittent laser on melt pool are discussed, which significantly effects the melt pool periphery, center velocity of melt pool and edge pressure of melts pool. Overall, intermittent lasers produce a smaller melt pool compared to continuous lasers, as the shorter heat transfer duration results in a faster cooling rate, reducing the thermally affected area and leading to finer microstructures. In contrast, continuous lasers mode sustains heat transfer over a longer duration, allows maximum heat transfer, that leads to a bigger melt pool and promotes grain growth as a result gives coarser microstructures. Intermittent lasers create a shocking and shaking mechanism in melt pools, that allows stabilize melt pool on lower temperature as well as short duration gives fast cooling. -
Machine Learning Based Adaptive Deposition Control for Wire Arc Additive Manufacturing Repair
Anas Ullah Khan, V. Ajay, Amber ShrivastavaDieses Kapitel untersucht die Anwendung von Wire-Arc Additive Manufacturing (WAAM) zur Reparatur verschlissener oder beschädigter Metallteile und konzentriert sich dabei auf die Herausforderungen und Lösungen für die adaptive Beschichtungssteuerung. Der Text geht auf die Beschränkungen traditioneller planarer Schneidemethoden wie Treppenstufen und die Notwendigkeit der Vorbearbeitung ein und führt einen neuartigen Ansatz ein, der nichtplanares adaptives Schneiden verwendet. Die Methodik umfasst einen kostengünstigen Laserverschiebungssensor zur Oberflächenprofilierung, ein LSTM-basiertes maschinelles Lernmodell zur Vorhersage der Fahrgeschwindigkeit und eine Hardware-Schnittstelle zur Robotersteuerung in Echtzeit. Die Ergebnisse zeigen signifikante Verbesserungen bei der geometrischen Genauigkeit und Materialeffizienz, wobei die Standardabweichung der Deckschichten von 1,65 mm auf 1,02 mm verringert wurde. Das Kapitel schließt mit dem Hinweis auf das Potenzial, den Reparaturprozess zu automatisieren und genauer und wirtschaftlicher zu gestalten, insbesondere für Teile mit komplexen Geometrien. Die Studie führt die WAAM-Reparatur von manuellen, planaren Schneidemethoden zu einem adaptiven, datengestützten Ansatz, der für die Industrie erreichbar und wirkungsvoll ist.KI-Generiert
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AbstractWire arc additive manufacturing (WAAM) has strong potential to repair damaged or fractured metal components. The damage creates random irregular surfaces, which makes the repair difficult with conventional welding-based deposition. This paper presents an adaptive, monitoring-based method for WAAM repair using non-planar slicing. A one-dimensional laser displacement sensor performs a raster scan to capture the damaged surface profile. A long short-term memory (LSTM) model uses that profile and recent deposition history to predict local travel speeds needed to obtain the target bead geometry. Predictions are sent to an in-house hardware interface that regulates real-time robot travel speed. The combined method aims to reduce pre-machining, preserve sound substrate, and minimise stair-stepping on curved and inclined surfaces. Experimental trials compare the proposed methodology with conventional planar repair. The controlled deposition significantly decreased the standard deviation of the top layer from 1.65 to 1.02 mm compared to deposition without control. The demonstration for repair also resulted in a minimal RMSE of 0.38 mm while effectively compensating for the uneven damaged surface. Results also show that ML-assisted, non-planar adaptive slicing smooths irregular surfaces over a few layers and improves repair efficiency. The method offers a practical route to industrial WAAM repair and reduces operational downtime significantly. -
Numerical Analysis of the Flow Behavior in the Mold Induced by a Real Clogged Nozzle and Symmetrically Reduced Nozzles
Marbella Durán González, Enif Gutiérrez, Saul Garcia-Hernandez, Javier Vargas Arias, Eriwiht D. Tello CabreraDieses Kapitel widmet sich dem kritischen Problem der Verstopfung von Düsen im Strangguss, einem Prozess, der in der Stahlproduktion von entscheidender Bedeutung ist. Durch den Einsatz von Computational Fluid Dynamics (CFD) vergleicht die Studie das Strömungsverhalten, das durch eine echte verstopfte Düse hervorgerufen wird, mit dem von symmetrisch reduzierten Düsen. Die Analyse zeigt, dass reale Verstopfungen zu signifikanten Geschwindigkeitszuwächsen, Asymmetrien beim Fließabfluss und Schlackeneinlagerungen führen, die die Stahlqualität beeinträchtigen können. Die Studie beleuchtet die Bildung von Wirbeln und die Abweichung von Stahldüsen und liefert ein umfassendes Verständnis der Komplexität, die mit der Verstopfung von Düsen einhergeht. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung genauer Simulationen bei der Optimierung von Stranggießprozessen und der Verbesserung der Stahlqualität.KI-Generiert
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AbstractNozzle clogging is one of the main problems in continuous steel casting, which increases meniscus velocity, causes excessive fluctuations in bath level, and leads to the opening of the slag layer. Due to the importance of producing high-quality steel, this study aims to understand and quantify the detrimental effects of severe nozzle clogging on mold fluid dynamics. To address this, an industrial nozzle at the end of its service life was 3D scanned and modeled through numerical simulation. The real clogging behavior was compared with nozzles with symmetrical reductions in the lower tubular section, ports, and pool. The results show that the high velocity and wall irregularities of a severely clogged nozzle cause jet rotation, deflection of the jets toward the front mold wall, strong bath-level asymmetries, vortex formation, and slag entrapment on both sides of the nozzle. These effects are not observed in cases with symmetrical reductions.
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Additive Manufacturing of Lightweight Alloy Matrix Composites
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Additive Manufacturing for Lightweight Metal Alloys and Composite Materials: Processes, Performance, Applications, and Future
Megh Raval, Raj Pandya, Soham Panchal, Vishvesh BadhekaDieses Kapitel geht auf das transformative Potenzial der additiven Fertigung (AM) für Leichtmetalllegierungen und Verbundwerkstoffe ein und befasst sich mit den Beschränkungen traditioneller Fertigungsmethoden. Es untersucht, wie AM komplexe Geometrien ermöglicht, Materialverschwendung reduziert und die Leistung in kritischen Sektoren wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der biomedizinischen Industrie verbessert. Der Text diskutiert die Herausforderungen einer konsistenten Bauteilqualität im AM und schlägt einen ganzheitlichen Rahmen vor, der optimale AM-Prozessauswahl, KI-gestützte In-situ-Überwachung und wissenschaftlich konzipierte Nachbearbeitungsbehandlungen integriert. Es bietet auch eine vergleichende Bewertung von AM und konventionellen Fertigungsparadigmen, wobei die wirtschaftlichen, materiellen und energieeffizienten Aspekte hervorgehoben werden. Die Zukunft von AM ist in der Konvergenz von In-situ-Überwachung, vorausschauender Modellierung und künstlicher Intelligenz vorgesehen, die den Weg für autonome Fertigung und Echtzeit-Zertifizierung ebnet.KI-Generiert
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AbstractThis report provides comprehensive research on Additive Manufacturing (AM) techniques for fabricating lightweight metal alloys (Al-Al2O3, etc.) and composites. It delves into their manufacturing processes (Powder Bed Fusion, Electron Beam Melting, Wire Arc Additive Manufacturing, etc.), challenges faced in manufacturing (low and high volume, etc.), advantages and disadvantages, comparison with traditional methods, and applications. AM enables unparalleled design freedom for lightweight structures, though the as-built components often show reduced fatigue life compared to their wrought counterparts. The work also highlights the indispensable role of post-processing (e.g., Hot Isostatic Pressing (HIP)) in eliminating porosity to achieve top mechanical integrity. The work also discusses the future of the field, which is evidently pointing toward AI-driven in-situ monitoring and discoveries. Here, a comparison between Powder Bed Fusion Additive Manufacturing and traditional methods (cast, wrought) is also provided, showcasing different properties and other aspects.
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Additive Manufacturing of Metals: Multiscale and Non-Equilibrium Solidification Fundamentals
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Desktop Metal 3D Printing Using (WAAM) Wire Arc Additive Manufacturing and Its Capabilities and Testing
Raj Pandya, Soham Panchal, Megh Raval, Vishvesh BadhekaDiese Studie untersucht die Herstellung und Charakterisierung einer großflächigen kohlenstoffarmen Stahlkomponente des Typs ER70S-6 mithilfe eines neuartigen Desktop-Systems für die additive Fertigung (WAAM). Die Forschung konzentriert sich auf die anisotrope Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften, die sich aus dem WAAM-Prozess ergeben, sowie auf die Effektivität der Temperaturregelung zwischen den Durchläufen, um die Wärmespeicherung zu verringern und die Homogenität der Mikrostrukturen sicherzustellen. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen die erfolgreiche Herstellung eines wesentlichen metallischen Bauteils, die signifikante mechanische Anisotropie, die im Bauteil beobachtet wird, und das durch strenge Temperaturkontrolle erreichte einheitliche Mikrohärteprofil. Die Studie vergleicht das Desktop-WAAM-System mit Systemen im industriellen Maßstab und bestätigt sein Potenzial zur Herstellung qualitativ hochwertiger, strukturell solider Komponenten. Darüber hinaus werden die Auswirkungen auf die additive Fertigungslandschaft von Desktop-Metallen diskutiert, die eine direkte Alternative zu bestehenden mehrstufigen Technologien darstellen.KI-Generiert
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AbstractWire Arc Additive Manufacturing (WAAM) is a high-deposition-rate technology poised to revolutionise the production of large-scale metallic components. However, its widespread adoption is hindered by process-induced defects, notably mechanical anisotropy. This study investigates the relationship between microstructure and mechanical properties in a large wall structure (200 mm × 80 mm × 9 mm) fabricated from ER70S-6 low-carbon steel using a novel, compact desktop WAAM system. The system integrates a 3-axis CNC gantry with a Gas Metal Arc Welding (GMAW) power source. A constant interpass temperature of 300 °C was maintained to ensure thermal stability throughout the build process. Microstructural analysis revealed a characteristic anisotropic structure, with large columnar grains oriented along the build direction and distinct layer bands. Tensile testing, conducted in accordance with ASTM E8, confirmed significant mechanical anisotropy. The ultimate tensile strength (UTS) was found to be 9.1% higher in the longitudinal (deposition) direction (495 MPa) compared to the transverse (build) direction (450 MPa). Conversely, elongation at fracture was greater in the transverse orientation (33% vs. 28%). A uniform microhardness profile along the build height, averaging approximately 221 HV, demonstrated the effectiveness of the thermal management strategy. The results correlate the observed anisotropy directly with the directionally solidified microstructure, highlighting the critical need for process control to produce reliable, load-bearing components with this emerging desktop technology.
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Additive Manufacturing: Materials Design and Alloy Development VII—Design with Multi-modal and Field Data by Integrating Uncertainty
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Bimetal Printing M300-C18150: Single Track Topology and Interfacial Characterization
Tahir Abbas, Shahrooz Nafisi, Ling Chen, Geoff de Looze, David Ritchie, Daniel East, Reza GhomashchiDiese Studie befasst sich mit der Herstellung von bimetallischen Objekten mittels einspurigem Druck im Laserpulverbett Fusion (L-PBF), wobei der Schwerpunkt auf der Kombination von M300 Maraging Steel und C18150 Kupferlegierung liegt. Die Forschung untersucht die Topologie von Schienen, einschließlich der Geometrie des Schmelzbeckens, der Gleisgröße und der Topographie, wobei besonderes Augenmerk auf die Kontinuität von Schienen als kritisches Problem bei der Ablagerung von Schallschichten gelegt wird. Die Studie untersucht die Auswirkungen von Laserscangeschwindigkeit und Leistung auf Spurbreite, Kernfusion und Eindringtiefe und beleuchtet die Herausforderungen, die der Druck von C18150 auf M300 aufgrund hoher Reflexionsfähigkeit und schlechter Benetzbarkeit mit sich bringt. Darüber hinaus werden Homogenität und Grenzflächeneigenschaften des Schmelzpools untersucht und intensive Turbulenzen und Marangoni-Konvektionsphänomene aufgedeckt. Die Ergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse zur Verbesserung der Herstellung von Bimetallteilen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und in Wärmemanagementsystemen.KI-Generiert
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AbstractThis study explores the effect of process parameters on the shape and microstructural characteristics of single tracks of bimetal printing using Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) technology. For this purpose, two different configurations of single tracks of maraging steel (M300) and copper alloy (C18150) bimetal were printed using laser scan velocities of 500–1100 mm/s and powers ranging from 300 to 550 W. The effect of these process parameters on single tracks was analysed quantitatively by measuring width, depth, and height of the track deposits. In addition, the interfacial characteristics of single tracks were investigated using SEM. It was found that both track deposit width and depth decrease with increasing laser scan velocity. On the other hand, an opposite trend for the track deposit width and depth was noticed with the increase of laser power. In addition, microstructural analysis reveals turbulence within the melt pool, especially at the interface where traces of Marangoni flow were also observed. The optimum process parameters for both configurations were identified. In general, the printing of C18150 on M300 is challenging as the tracks form in droplets for higher velocities. The results from these findings could contribute to building volume samples with minimum defect formation, resulting in improving mechanical properties of L-PBF printed parts.
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Advanced Biomaterials and Implants
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An Investigation of Hydrogel-Based Drug Delivery Methods to Enhance Introduction of Timolol Maleate for Ocular Treatment
Nicole Mortensen, Ashwin Velraj, Parker Toews, Abhishek Pachauri, Brian Stagg, Jeffrey BatesDieses Kapitel befasst sich mit der Untersuchung hydrogelbasierter Medikamentenverabreichungsmethoden, um die Einführung von Timolol-Maleat zur okularen Behandlung zu verbessern, wobei der Schwerpunkt auf der Glaukomtherapie liegt. Die Studie vergleicht bedruckte und unbedruckte Hydrogele auf HEMA-Basis mit handelsüblichen Kontaktlinsen und bewertet deren Medikamentenaufnahme und -freisetzungszyklen, Reversibilität und Medikamentenfreisetzung über einen Zeitraum von 12 Stunden. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen die höheren Konzentrationen von Wirkstoffen aus kommerziellen Linsen im Vergleich zu synthetisierten Hydrogelen und die gleichbleibenden Wirkstofffreisetzungsraten aus bedruckten und unbedruckten Hydrogelen. Die Forschung untersucht auch das Potenzial dieser Hydrogele, basierend auf der Belastungslösung unterschiedliche Konzentrationen von Timolol abzugeben, was einen anpassbaren Ansatz in der Glaukomtherapie bietet. Darüber hinaus wird in der Studie die Bedeutung einer Optimierung der Zusammensetzung synthetisierter Hydrogele diskutiert, um die Flexibilität, Zähigkeit und Klarheit aktueller Kontaktlinsen nachzuahmen, Komfort zu gewährleisten und Sehprobleme zu verhindern. Das Kapitel schließt mit Einblicken in das Potenzial hydrogelbasierter Medikamentenverabreichungskontaktlinsen zur Steigerung der Patientenbindung und der allgemeinen Behandlungswirksamkeit, wobei die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen zur Gewährleistung von Sicherheit und Wirksamkeit hervorgehoben wird.KI-Generiert
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AbstractMolecular imprinting is a feature in hydrogels that has potential applications in drug delivery, especially where controlled release is of primary concern. In this work, we investigate three drug introduction methods into a hydrogel matrix and examine their release. These methods include molecular imprinted hydrogels, hydrogels with no molecular imprinting, and off-the-shelf samples that are commercially available. All samples were soaked in a saline drug solution containing a concentration of timolol maleate, and the drug release concentration was characterized using UV–Visible spectroscopy. We report that all three methods effectively uptake of drug into the hydrogel matrix, and that all three methods are effective in the release of the drug. In addition, we investigated the release from the hydrogel matrix through the interface of a cadaveric biological system and report on the drug release. We further report that, while the drug uptake and release does not appear to be reversible, the uptake and release occurs over several cycles, indicating that the drug can be reintroduced into the polymer matrix. -
Anti-calcification Property of Sulfur Functional Group Using Low Temperature Plasma on Polymeric Scaffolds
John P. Bradford, Chandrima Karthik, Renjith Rajan Pillai, Sarah Slavik, Vinoy ThomasDieses Kapitel befasst sich mit dem innovativen Einsatz von Niedertemperatur-Plasma zur Bildung von Schwefel-Funktionsgruppen auf polymeren Gerüsten, mit dem Ziel, Verkalkungen bei Herz-Kreislauf-Implantaten zu verhindern. Die Studie konzentriert sich auf vier Schlüsselbereiche: die Einführung von funktionellen Schwefelgruppen mittels Ethylvinylsulfonplasmabehandlung, die Bewertung der Wirksamkeit dieser Behandlung auf Polyurethan- und Polyethylenterephthalat-Polymere, die Charakterisierung behandelter und unbehandelter Proben mittels Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Messungen des Kontaktwinkels mit Wasser und Rasterelektronenmikroskopie sowie die Schlussfolgerung, dass funktionelle Gruppen von Schwefel die Abscheidung von Kalziumphosphat signifikant reduzieren. Die Forschung zeigt, dass eine Plasmabehandlung bei niedrigen Temperaturen die Verkalkung wirksam hemmen kann und eine vielversprechende Lösung darstellt, um die Lebensdauer von Herz-Kreislauf-Implantaten zu verlängern. Die detaillierte Methodik und umfassende Analyse der Studie bieten wertvolle Einblicke in das Potenzial der Plasmabehandlung bei der Modifikation von Biomaterialien.KI-Generiert
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AbstractCalcification of cardiovascular stent and graft is a common complication that can result in secondary surgery to replace the failing stent. Sulfur functional groups prepared through low temperature plasma were used to prevent biomineralization of polymer materials commonly used to make vascular grafts. The results indicate that these polymers naturally biomineralize in body like conditions, where FTIR and XPS showed carbonate and phosphate functional groups of the untreated polymers. Plasma treatment using ethyl vinyl sulfone showed significant decrease of these same functional groups. Microscopy of the polymeric samples showed stark contrast between the treated and untreated samples due to decrease in biomineralization of calcium phosphate. After biomimetic treatment of sulfur plasmas on polymers and control, it was observed that the low temperature plasmas caused a decrease of biomineralization on treated samples. -
High-Strength Low-Degradation Mg Microtubes for Biodegradable Vascular Stents
Joung Sik Suh, Chang Dong Yim, Jae-Yeon Kim, Ha Sik Kim, Sang Eun Lee, Jaeseong Kim, Jung-Hoon Park, Hwa-Chul JungDieses Kapitel untersucht die Entwicklung hochfester, gering abbaubarer Magnesiummikrotuben für biologisch abbaubare Gefäßstents, wobei der Schwerpunkt auf der Überwindung von Herausforderungen im Zusammenhang mit mechanischen Eigenschaften und Herstellungsprozessen liegt. Die Studie verwendet ein zweistufiges Extrusionsverfahren zur Herstellung von Mikroröhrchen mit unterschiedlichen Abmessungen und bewertet ihre Zug- und Abbaueigenschaften. Maschinelle Lernalgorithmen werden eingesetzt, um Magnesiumlegierungen umzubauen, ihre Festigkeit zu erhöhen und die Abbauraten zu verringern. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen die positive Korrelation zwischen Extrusionsverhältnis und mechanischen Eigenschaften sowie der Einfluss von Mikrostruktur und Textur auf das biologische Abbauverhalten. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass erhöhte Extrusionsraten die mechanischen Eigenschaften verbessern und den biologischen Abbau beschleunigen, was wichtige Erkenntnisse für das Design von Biometrien der nächsten Generation für bioresorbierbare Gefäßgerüste bietet.KI-Generiert
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AbstractThe popularity of biodegradable Mg alloys as potential metallic biomaterials for vascular and orthopedic temporary implants is increasing, due to their favorable mechanical, electrochemical, and biological properties. Nevertheless, several challenges persist with Mg scaffolds, including rapid degradation, inadequate mechanical properties, and intricate manufacturing processes. Alloying and processing are pivotal methods for improving the properties of Mg alloys for use in biomedical applications. This study focuses on the development of the process technology for the fabrication of ultra-precise geometries and the achievement of the mechanical and degradation properties for biodegradable vascular stents. To this end, a two-step extrusion process has been developed to manufacture microtubes. Subsequently, machine learning was employed to reverse-engineer Mg–Zn–Mn–Sr–Ca (ZMJX) alloys for biodegradable microtubes with enhanced strength and reduced degradation rate. The present study investigates the room-temperature tensile properties and biodegradation of ZMJX alloy microtubes in terms of extrusion ratio, microstructure, and texture. -
Preliminary Analysis of Material Degradation and Residue Retention on a Reusable Orthopedic Awl: A Case Study
Mohammad Ibrahim, Ida- Linnéa Böregård, Alexander Oxblom, Janet Mattsson, Håkan Kalzén, Claes Frostell, Gunilla Björling, Ragnhild E. AuneDiese Fallstudie befasst sich mit dem Materialabbau und der Rückstandsrückhaltung an einer wiederverwendbaren orthopädischen Ahle, einem entscheidenden Werkzeug bei Verfahren wie Hüft- und Knieendoprothetik und intramedullären Nageln. Die Analyse zeigt bemerkenswerte Oberflächenunregelmäßigkeiten und Abplatzungen an der Instrumentenspitze, die wahrscheinlich auf wiederholte mechanische Belastungen und Sterilisationszyklen zurückzuführen sind. Rückstände, potenziell biologischen Ursprungs, wurden in komplexen geometrischen Regionen gefunden, was eine Herausforderung für Reinigung und Sterilisation darstellte. Die Studie unterstreicht das Risiko bakterieller Adhäsion und Biofilmbildung, die zu periprothetischen Gelenkinfektionen und anderen Komplikationen führen können. Durch die Untersuchung der Oberflächenintegrität und des Kontaminationsprofils der Ahle unterstreicht die Forschung die Notwendigkeit verbesserter Aufbereitungsprotokolle und einer genaueren Überwachung der Instrumentenintegrität, um die Patientensicherheit zu gewährleisten und die chirurgischen Ergebnisse zu verbessern.KI-Generiert
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AbstractReusable surgical instruments are critical tools in orthopedic surgery; yet their progressive microstructural degradation from repeated clinical use can pose hidden risks to biomaterial integrity and patient safety. The present study investigates how cyclic sterilization, and handling can lead to surface deterioration and persistent contamination, facilitating bacterial adhesion and biofilm formation. XRF, optical and electron microscopy were employed to assess surface and compositional changes in a single clinically used awl. The XRF results indicated a composition consistent with AISI 431 martensitic stainless steel, and microscopy documented rim notching at the distal edge together with adherent granular residues within the lumen and at the transition into the distal rim. The analyses revealed localized surface damage consistent with material loss, as well as irregular deposits adhering to the metallic surface. Such degradation features are clinically relevant: physical defects may diminish functional efficiency and generate foreign particles, while persistent residues may reduce cleaning effectiveness and provide substrates for microbial colonization. These findings indicate that standard reprocessing may not fully restore instruments to their as-designed state. The findings support further investigation into reuse thresholds and optimized sterilization protocols, with direct implications for infection control, material longevity, and surgical outcomes in orthopedics and other settings where device sterility and integrity are essential. Observations are limited to one clinically used instrument and will be expanded with quantitative replication and residue chemistry in future work. -
Understanding Tribological Stability in Porous Ti-Nb-Mo Alloys for Biomedical Use
Marwa Dahmani, Mamoun Fellah, Mohamed-Cherif BenoudiaIn diesem Kapitel werden die entscheidenden Faktoren untersucht, die die tribologische Stabilität poröser Ti-Nb-Mo-Legierungen beeinflussen, wobei der Schwerpunkt auf ihrer potenziellen Verwendung in biomedizinischen Implantaten liegt. Zu den behandelten Hauptthemen gehören der Einfluss der Fräszeit auf Mikrostruktur und Verschleißfestigkeit, die Rolle der angewandten Belastung bei Verschleißmechanismen, der Einfluss simulierter Körperflüssigkeiten auf die tribologische Leistung sowie die Analyse von Verschleißspuren und Wechselwirkungen zwischen den Oberflächen. Das Kapitel kommt zu dem Schluss, dass optimale Fräszeiten (12 Stunden) und kontrollierte Belastungen die Verschleißfestigkeit deutlich erhöhen und die Reibung verringern, was Ti-Nb-Mo-Legierungen zu vielversprechenden Kandidaten für orthopädische Implantate macht. Durch detaillierte REM und 3D-Profilometrie-Analysen liefert das Kapitel ein umfassendes Verständnis des Verschleißverhaltens dieser Legierungen unter verschiedenen Bedingungen und bietet wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung von Biomaterialien der nächsten Generation.KI-Generiert
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AbstractPorosity-engineered titanium alloys have become an important focus of recent research for biomedical applications owing to their superior mechanical compatibility, corrosion resistance, and favorable tribological behavior under physiological conditions. Nevertheless, their tribological performance remains a major challenge, primarily due to the risk of wear debris generation and metallic ion release, which can provoke adverse biological responses. This paper presents a comprehensive review of the tribological behavior of advanced porous titanium alloys, with particular emphasis on β-phase titanium systems such as Ti-Nb-Mo alloys. The influence of processing parameters (e.g., milling time, porosity level, and applied load) on microstructural evolution, wear mechanisms, and surface chemistry is systematically examined. Special attention is given to the critical relationship between microstructure and tribological properties, providing insights that are essential for the design of next-generation titanium-based biomaterials. In addition, recent experimental findings, including our latest work on Ti-25Nb-25Mo alloys, are analyzed to highlight the key factors governing wear resistance, coefficient of friction, and long-term tribological stability in biomedical environments.
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- Titel
- TMS 2026 155th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings
- Herausgegeben von
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The Minerals, Metals & Materials Society
- Copyright-Jahr
- 2026
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
- Electronic ISBN
- 978-3-032-13828-6
- Print ISBN
- 978-3-032-13827-9
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-032-13828-6
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