Bachelorarbeiten

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Leichtbau-Achsstrebe aus Faser-Kunststoff-Verbund für den Einsatz in NKW-Anwendungen. Bei gleichen Anforderungen hinsichtlich der Belastung und einer Reduzierung der Masse, sollen sich die Herstellungskosten im Rahmen von maximal +20 % der aktu-ellen Vorserien-Variante aus Aluminium bewegen. Erreicht wird dies durch den Einsatz einer Multi-Material-Bauweise aus CFK, GFK und Aluminium. Die einzelnen Komponenten der Konstruktion sind so ausgelegt, dass zum einen ihre charakteristischen Materialeigenschaften ausgenutzt werden, und zum anderen voll automatisch herstellbar sind. Dadurch sollen die Kosten niedrig gehalten werden. Hierfür werden unterschiedliche Konstruktionsvarianten betrachtet. Ergebnis dieser Untersuchung ist eine Achsstrebe mit einer Masseersparnis von ca. 60 % sowie Herstellungskosten von ca. +10 % im Vergleich zur Aluminium-Strebe. Nach der erfolgreichen Simulation werden mehrere Prototypen gefertigt, die anschließend auf einem Prüfstand getestet werden sollen. Diese Prüfstandtests sind nicht Teil dieser Arbeit.

In dieser Bachelorarbeit wird die Herstellung von KFZ-Klimabedienteilen mittels Optical-Bonding-Verfahren untersucht. Dabei handelt es sich um ein Klebeverfahren zur Herstellung von optischen Baugruppen mit dem Ziel, die Ablesbarkeit von Displays auch bei schlechten Umgebungslichtverhältnissen zu verbessern. Dafür müssen die Klebstoffe und die zu verklebenden Werkstoffe die gleichen Brechungsindizes besitzen und die Klebstoffschicht darf keine Luftblasen aufweisen. Die Verklebung muss im Einsatz starken Temperaturschwankungen aushalten ohne dabei zu versagen. Um diese Anforderungen erfüllen zu können, müssen die Prozessparameter während der Fertigung genau definiert werden. Dazu wird zunächst das Optical Bonding beschrieben und der Prozess analysiert. Anschließend werden die theoretischen Grundlagen des Klebens sowie das Verhalten von Flüssigkeiten beim Auftrag auf die Klebeflächen erarbeitet. Ausgehend von der Theorie, die Verbundfestigkeit einer verklebten Displaybaugruppe über die Oberflächenbeschaffenheit der Fügepartnerwerkstoffe charakterisieren zu können, wird ein Versuchsplan zu Haftungsmessung der Verklebung erarbeitet. In diesem werden die Prozess- und Materialparameter gezielt variiert und so die, für die Verbundfestigkeit signifikanten Faktoren ermittelt. Dabei zeigt sich, dass hauptsächlich die Plasmabehandlung und die Fügepartnerwerkstoffe einen Einfluss auf die Festigkeit haben. Diese werden untersucht und daraus eine Einstellung für die Plasmabehandlung in Serienfertigung auf einer vollautomatisierten Bondinganlage entwickelt. Es werden zwei Klebstoffsysteme, Acrylate und Silikone miteinander verglichen. Daneben wird das Absetzen des Fügepartners auf den Klebstoff untersucht, mit dem Ziel, den Fügeprozess so einzustellen, dass sich keine Luftblasen in der Klebstoffschicht bilden. Daraus wird ein Parametersatz für die automatische Serienproduktion abgeleitet.

Die Güte optischer Bauelemente wird nicht nur durch die chemische Zusammensetzung des Halbzeuges bestimmt, sondern ebenso durch die Ver-/Bearbeitung des zu fertigenden Werkstückes. Die Kristallzucht unterliegt gewissen Schwankungen, welche sich auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Zuchtkristalls auswirken. Anschließende Bearbeitungsschritte gleichen mögliche Unregelmäßigkeiten bei der Zucht durch stabile Prozessführung und entsprechende Gegenmaßnahmen aus. Eine Möglichkeit zum Gegenwirken stellt das Tempern dar. Die synthetische Erzeugung und anschließende Bearbeitung von Bariumfluorid-Einkristallen wird bei Hellma Materials erst seit 2014 durchgeführt, weshalb stabile Prozessparameter und Materialkennwerte des Werkstoffes teilweise noch zu bestimmen sind. Ziel der Arbeit ist es, Bariumfluoridkristalle mit unterschiedlichen Eigenschaften mittels mechanischer und chemischer Untersuchungen zu charakterisieren. Einflüsse von Kristalldefekten auf die Bearbeitungseigenschaften sollen so festgestellt werden. Es soll weiterhin untersucht werden, ob sich eine thermische Behandlung positiv auf die Bearbeitung auswirkt. Die chronologische Abfolge wird in einer selbst erstellten Versuchsmatrix dargestellt. Es konnten Prozessparameter (z.B. Länge des Polierprozesses) ermittelt werden, die einen Einfluss auf die Güte der Kristalloberfläche haben. Neben den durchgeführten Versuchen gibt diese Arbeit auch einen Ausblick für zukünftige Untersuchungen, welche für die momentan entstehende BaF2-Bearbeitungsstrecke ebenso von Interesse sein könnten und im Rahmen der Abschlussarbeit nicht durchgeführt werden konnten.

Leichtbau findet in vielen Bereichen des Maschinenbaus immer mehr Anwendungsgebiete. Metallschäume bieten mit ihren Eigenschaften, geringe Dichte und Energieabsorptionsvermögen hervorragende Voraussetzungen um Anwendungen in der Leichtbaukonstruktion zu finden. Ziel dieser Arbeit ist es, CNT verstärkte Aluminiumschäume herzustellen. Das Kombinieren der bereits guten Eigenschaften von Metallschäumen und Kohlenstoffnanoröhren soll weiter die Eigenschaften verbessern und neue Eigenschaften hervorbringen. Für die Herstellung der Schäume wird das Pulvermetallurgische Verfahren verwendet. Dabei werden die Pulver in einer Kugelmühle über verschiedene Mahldauern gemahlen. Zur Untersuchung der Pulverproben wurden diese anschließend metallographisch untersucht und miteinander verglichen. Das gemahlene Pulver wird zu einem Pressling zusammengepresst. Diese Presslinge werden auf Risse, Partikelzusammensetzung und Partikelform untersucht um Abhängigkeiten auf die Schäumbarkeit zu ermitteln. Aussagen zum Gefüge, Porenstruktur und Expansionsgrad der Aluminiumschäume werden getroffen. Außerdem wird die Verteilung der CNT im Schaum untersucht. Die Ergebnisse werden miteinander verglichen um tendenzielle Effekte aufzuzeigen. Am Ende der Arbeit wird eine Zusammenfassung über die verschiedenen Parameter und ihre Effekte auf den Aluminiumschaum gegeben.

Diese Arbeit ist in erster Linie eine Abhandlung über das Nitrieren und Nitrocarburieren von hochbeanspruchten Kurbelwellen. Es wurden verschiedene Versuchschargen an einem BMW-internen Gas-Nitrocarburierofen gefahren und ausgewertet, um möglichst zeichnungsgerechte Resultate einzustellen. Dabei erwies es sich als äußerst schwierig, den porösen Randbereich so gering zu halten, dass er im nachgeschalteten Fein-Schleifprozess restlos entfernt werden kann. Besonders kritisch waren dabei Porenzeilen bzw. -ketten anzusehen, welche teilweise in Tiefen vordringen, welche ca. 90 % der Gesamtverbindungsschichtdicke entsprechen. Die geforderte Mindestschichtdicke von 15 [my]m (nach dem Fein-Schleifen) in Kombination mit der eingestellten Behandlungstemperatur von 585 ˚C, der sehr kurzen Behandlungszeit von 220 min und der Vorgabe nach restloser Poren-Entfernung war durch die Einstellung der Begasung allein nicht zu gewährleisten. Des Weiteren wurde die Prozesssicherheit dieser Anlage hinsichtlich der Temperaturverteilungen und -abweichungen mit den daraus resultierenden Nitrierergebnissen dargestellt. Es zeigten sich trotz relativ geringer Temperaturabweichungen innerhalb der Heizkammer deutliche Schichtdicken-, Porenanteil- und Nitrierhärtetiefen-Unterschiede. Mit abnehmenden Begasungsmengen bzw. -raten verstärkten sich diese Unterschiede innerhalb einer Charge deutlich, sodass davon auszugehen ist, dass neben der Temperaturverteilung auch die Gasverteilung im Ofen relevanten Schwankungen unterliegen muss. Aufgrund der großen Verbindungsschichtdicken mit nicht unerheblichen Porenanteil lag die Überlegung nahe, die Kurbelwellen hinsichtlich Ihres Verschleißes im Betrieb zu untersuchen. Im Vordergrund stand die Frage, ob der Porensaum mitsamt tiefer liegenden Porenketten im Betrieb tatsächlich zu Ausbrüchen und somit zu Schäden und Folgeschäden führt. Dazu wurden Kurbelwellen des werkseigenen Motorenprüfstands nach ca. 22-stündigen Motorenaudits an den Lagerflächen der Haupt- und Hublager sowie der beiden Verzahnungen untersucht. Die Zahnflanken von Starterfreilauf- sowie Primärritzel zeigen nach dem Motorenaudit oberflächliche Abplatzungen und teilweise starke Glättungen der fertigungsbedingten Hohlriefen. An den Bereichen der stärksten Glättung kommt es zu den erwähnten Ausbrüchen, was auf starke partielle Belastungen schließen lässt. Diese Abplatzungen verlaufen dabei in ihrer Gesamtheit stets parallel zu den Hohnriefen. An den Lagerflächen kommt es dagegen zu einer Vielzahl von Verschleiß- und Schädigungsspuren. Es zeigten sich Spuren von Kavitationsschäden auf den Laufflächen, Sprödbrüche an den Fasen der Ölbohrungen sowie eine Vielzahl von Querrissen (senkrecht zur Laufrichtung). Die Sprödbrüche an den Ölbohrungen sind linsenförmig und ca. 100 - 200 [my]m lang. Zum Teil entstehen diese bereits beim Finishen bzw. Feinschleifen. Die Kavitationsschäden weisen nach dem Audit Längen bis zu 300 [my]m auf und finden sich vor allem an den dynamischer belasteten Hublagern. Das interessanteste Verschleißbild ist jedoch das Risswachstum senkrecht zur Laufrichtung der Lager. Diese Risse verlaufen stets parallel zueinander und sind über den kompletten Lagerumfang sowie dessen Breite vorzufinden. Sie weisen lediglich eine Länge von ca. 50 [my]m auf. Kritisch ist jedoch die große Anzahl der Risse und deren Verteilung über alle Lager und deren gesamte Fläche. Aufgrund der deutlichen Verschleißspuren der Verbindungsschichten und dem fertigungstechnisch hohen Aufwand des in der Serie betriebenen Gas-Nitrocarburierens wurde weiterhin das Plasmanitrieren als Alternative beleuchtet. Als Nachteile des Serienprozesses sind die hohen Begasungsmengen, der geringe Chargennutzraum sowie die vor- und nachgeschalteten Arbeitsschritte mit entsprechenden Anlagen und Betriebskosten anzusehen. Vor allem der große Durchsatz an Ammoniak von drei m 3 pro Stunde und Anlage zieht Umwelt- und Gesundheitsauflagen sowie erhöhte Kosten mit sich. Es wurden zwei Kurbelwellen und mehrere Proben bei der Firma Eltropuls im Plasma nitriert. Dabei lag das Hauptaugenmerk gegensätzlich zur Zeichnungsvorgabe auf sehr dünnen Verbindungsschichten von ca. 5 [my]m. Die Nitrierhärtetiefe sollte sich in etwa mittig der Toleranzen befinden und wurde auf 0,3 mm vereinbart. Um den Prozess wirtschaftlich interessant zu gestalten, wurde angestrebt, keine weitere Nachbehandlung nach dem Nitrieren durchzuführen. Das bedeutet den kompletten Entfall des Finishens. Da es zu diesem Zeitpunkt innerhalb der Fertigung keine Möglichkeit gab, die Lagerdurchmesser vor dem Nitrieren 8 - 10 [my]m (entspricht Finishabtrag) kleiner zu gestalten, wurde die Versuchskurbelwelle vor dem Nitrieren gefinisht. Somit wurde sichergestellt, dass die Lagerdurchmesser nicht oberhalb der Toleranzen liegen und somit die Lagerspiele zu klein ausfallen. Die Kurbelwelle wurde in einem ansonsten unveränderten K46 Serienmotor verbaut und einem 22-stündigen Auditlauf mit vorgeschaltetem sechs-stündigen Einlaufprogramm unterzogen. Der Prüfstandslauf verlief in jeder Hinsicht unauffällig. Leistung, Drehmoment, Akustik und Partikelbelastung im Motoröl waren mit der Serie vergleichbar. Des Weiteren ergab die Untersuchung der Kurbelwelle keine Anzeichen für Sprödbrüche oder Rissbildung. Bereits mit bloßem Auge war der Traganteil eines jeden Lagers sichtbar, da diese konstruktiv ballig ausgelegt sind. Dies ist durch den verstärkten Abrieb der Oxidschicht als Einlaufschicht zu erklären. Bei den Verzahnungen zeigte sich jedoch ein deutlicher Abfall der Nitrierhärtetiefe von 0,3 mm an der Zahnspitze auf 0,09 mm im Zahngrund. Das Plasma konnte also nicht im vollen Maße in den Spalt zweier Zähne eindringen. Allerdings war kein Verzug der Verzahnung messbar, sodass die nur schwache Randaufhärtung im Zahngrund offensichtlich ausreichend war. Schliffe in Längs- und Querrichtung verschiedener Lager zeigten keinerlei Verbindungsschichtausbrüche oder Abplatzungen. Die Oxidschicht wirkte teilweise sehr unregelmäßig abgetragen. Neben dem mechanischen Abrieb ist ein Herausreißen durch Kavitation denkbar. Unter dem Rasterelektronenmikroskop wird deutlich, dass sich stark beanspruchte Bereiche der Oxidschicht stark geglättet haben, bevor sie abgetragen wurden. Messungen der Lagerrauigkeiten bestätigten eine leichte Glättung der gelaufenen Kurbelwelle im Vergleich zur selben Kurbelwelle vor dem Audit.