Bachelorarbeiten

Die stetig steigende Komplexität von modernen Erntemaschinen verursacht zunehmende Gewichte der Fahrzeuge. Strenge Richtlinien des Gesetzgebers sowie die Schädigung der Bodenstruktur durch hohe Radlasten machen eine Verringerung der Masse der Landmaschinen erforderlich. Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, das Gewicht eines Zuführbodens einer Erntemaschine durch konsequente Anwendung der vier Leichtbauprinzipien (Struktur, Konstruktion, Werkstoff, Herstellung) zu senken. Die Anpassungskonstruktion hat das primäre Ziel, eine Gewichtsreduktion von 20 %, bei unveränderter Steifigkeit und Wirtschaftlichkeit, zum Serienbauteil zu erreichen. Die Anforderungen an die Konstruktion werden zunächst mittels einer "Ist-Analyse" der Referenzbaugruppe ermittelt. Die Schwachstellen der gegenwärtigen Konstruktion werden anhand der Schwingformen der Resonanzfrequenzen bestimmt. Die Schwingformen werden mit einer Modalanalyse rechnerisch bestimmt, welche anschließend experimentell verifiziert wird. Verschiedene Leichtbaukonzepte werden, aufbauend auf der vorherigen Analyse, erstellt und Kriterienbasiert bewertet. Das Konzept mit der besten Bewertung wird detailliert ausgearbeitet und als Demonstrator hergestellt. Den Resonanzfall, der durch die Hauptbeanspruchung, eine homogene Schwingung, auftreten kann, gilt es auszuschließen. Der Demonstrator wird daher abschließend auf seine Schwingungseigenschaften (Eigenfrequenz, Schwingungsamplitude, usw.) untersucht.

Die Arbeit behandelt Untersuchungen an im MuCell®-Verfahren hergestellten Bauteilen und Proben. Dabei werden vor allem mechanische Kennwerte betrachtet und deren Beeinflussung durch das Einbringen von Poren. Zur Vorhersage des Verhaltens im Kurzzeitzugversuch wird ein Modell erstellt und diskutiert. Zur Modellerstellung wird die Mikrostruktur von im MuCell®-Verfahren geschäumten Kunststoffen analysiert. Aus der Betrachtung der Art, Form und Lage der Inhomogenitäten ergeben sich mittels eines mathematischen Homogenisierungsverfahrens effektive Materialkennwerte. Diese lassen Rückschlüsse auf die Reaktion der untersuchten Proben unter Zugbelastung zu. Im Speziellen erfolgen Betrachtungen zum Elastizitätsmodul und zur Bruchfestigkeit. Als Eingangsgröße in das Modell muss die Verteilung der Dichte bzw. der Poren über den Probenquerschnitt bekannt sein. Dazu wird ein Verfahren zur Bestimmung dieses Verlaufes erläutert und bei verschiedenen relativen Dichtereduzierungen durchgeführt. Die Ergebnisse werden dokumentiert und ausgewertet. Die effektiven Materialkennwerte ergeben sich aus den dadurch bestimmten Verläufen. Mit Hilfe des Zugversuches in Anlehnung an normierte Vorgehensweisen werden reale Materialkennwerte ermittelt. Zunächst erfolgt eine Diskussion hinsichtlich der Anwendbarkeit der Normen im Zugversuch auf geschäumtes Material. Über einen Vergleich mit den Modellwerten wird die Aussagefähigkeit der berechneten Kennwerte zur Vorhersage des Materialverhaltens geprüft. Aus den im Zugversuch bestimmten Spannungs-Dehnungs-Verläufen werden Rückschlüsse über den Einfluss von Poren auf das mechanische Verhalten abgeleitet. Des Weiteren erfolgt eine Beurteilung der Energieaufnahmefähigkeit des Materials bei stoßartiger Belastung. Dazu wird eine Schlagzähigkeitsuntersuchung herangezogen. Vor allem der Einfluss des Schäumens steht dabei im Vordergrund. Die durch die Versuche erlangten und darüber hinaus aus Diskussion und Literatur gewonnenen Erkenntnisse werden im Anschluss anwendungsgerecht in Form von Konstruktionshinweisen im Umgang mit dem MuCell®-Verfahren aufbereitet.

Die im Modellmaßstab konstruierte Blasfolienextrusionsanlage "Blowmaster" dient zur Herstellung von Folien aus Kunststoff. Weil der verwendete Kühlring keine ausreichende Kühlung gewährleistet und nur wenige Betriebspunkte angefahren werden können, wird in dieser Arbeit ein Kühlring entwickelt, der eine Kühlung ermöglicht und verschiedene Betriebspunkte erzielt. Die Auswertung des Stands der Technik, von Fachzeitschriften und Patenten führt zu einer Aufstellung von Kriterien, die bei der Konstruktion eines Kühlrings beachtet werden sollen. Die Randbedingungen des "Blowmaste" finden ebenso Berücksichtigung, wie die Untersuchung des derzeitigen Kühlrings im "Blowmaster". Mit der Aufstellung eines morphologischen Kastens werden drei Konzepte erstellt, die nach Bewertungskriterien untersucht werden. Die Machbarkeit der Konzepte wird durch ein vereinfachtes strömungsmechanisches Modell geprüft. Ein Druckluftsicherheitsfaktor wird erstellt und bewertet. Weiter wird die Geschwindigkeit bei einer 90˚ Düse entlang des Umfangs gemessen und damit die Strömungshomogenisierung bewertet. Außerdem wird die Lagerreibung und Düsenvariabilität bewertet. Das Konzept mit der höchsten Bewertung wird umgesetzt. Das Lösungskonzept ist ein Kühlring mit austauschbaren Düsenpaaren (30˚, 45˚, 60˚, 90˚) mit Höhenverstellung und einem Verteilerkanal mit Umlenkplatten. Eine Besonderheit ist die Verwendung eines Dünnringlagers zur Ermöglichung einer Rotation des inneren Kühlringteils. Der maximale Volumenstrom, das Verhalten der Strömung an vorgegebenen Blasfoliengeometrien bei verschiedenen Düsenpaaren und die Strömungsgeschwindigkeit am Düsenaustritt einer 90˚ Düse werden durch eine Simulation untersucht. Die Strömungsgeschwindigkeit wird mit den Konzepten verglichen. Nach dem Bau des Kühlrings wird der Kühlring erprobt. Es ergibt sich ein Aufblasverhältnis von zwei. Die Frostlinie liegt innerhalb des Kühlrings, daher kann die 2D-Simulation nicht validiert werden. Die Druckverlustrechnung und - simulation wird validiert. Es werden verschiedene stabile Betriebspunkte für die Düsenpaare festgehalten. Das Wenden der Düse erweist sich als stabilisierend. Es können Folien mit einer Stärke von 5 [my]m bis 35 [my]m erzeugt werden. Dickere Folien verhalten sich stabiler als dünne Folien. Empfehlungen zur Auslegung und Konstruktion werden gegeben.

Motorische Anlaufringhälften sind Axiallager mit einer Umfangslänge von 180˚. Anwendung finden diese in Verbrennungsmotoren von Pkws und Lkws. Während des Kupplungvorgangs entstehende Axialkräfte der Kurbelwelle werden von motorischen Anlaufringhälften aufgenommen. Durch permanent steigende Ansprüche an das Automobil, beispielsweise die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und Verminderung der CO2-Emissionen, resultieren ebenfalls steigende Anforderungen an die motorischen Anlaufringhälften. Diese steigenden Anforderungen konnten bisher über eine Überdimensionierung der Axiallager kompensiert werden. Ihre sichere Funktion war somit gewährleistet. Die Performanzgrenze von motorischen Anlaufringhälften ist erreicht. Dieser Entwicklung soll durch die Halbierung der Wanddickentoleranz und durch die Reduzierung der Ebenheitstoleranz von motorischen Anlaufringhälften entgegengewirkt werden. Wird die Ebenheitstoleranz reduziert, kann ein punktueller Verschleiß des Axiallagers verhindert werden. Es wird eine flächenhafte Beanspruchung erzielt. In dieser Arbeit wird zunächst eine umfassende IST-Analyse zu den beiden Merkmalen, Wanddicke und Ebenheit, an fünf verschiedenen Typen von motorischen Anlaufringhälften durchgeführt. Es werden verschiedene Messmethoden zur Bestimmung von Wanddicke und Ebenheit angewendet. Aus den Ergebnissen der IST-Analyse konnten Tendenzen und Systematiken bezogen auf die beiden Merkmale abgeleitet werden. Des Weiteren wird eine vollständige Prozesskettenanalyse von motorischen Anlaufringhälften durchgeführt. Ein kritisches Hinterfragen der momentan eingesetzten Messverfahren und die Durchführung der Messung bezogen auf Häufigkeit und Anzahl der Messpunkte ist ein weiterer Aspekt der Arbeit. Potentielle Einflussfaktoren, welche sich u.a. aus den Erkenntnissen der IST-Analyse und der Prozesskettenanalyse ergeben, werden in einem Ishikawa-Diagramm aufgeführt. Anschließend werden die Einflussfaktoren systematisch bewertet. Sechs Einflussfaktoren konnten aus den Einflussgrößen-/Zielgrößenmatrizen bestimmt werden, welche zu einer Minimierung der Wanddicken- und Ebenheitstoleranz beitragen. Es wird ein Screeningversuchsplan aufgestellt. Abschließend wird ein weiteres Vorgehen für die Bestimmung und Festlegung von Prozessparameter bezüglich der Reduzierung der beiden Toleranzen dargelegt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit mit den Ergebnissen der Veröff entlichung von der Arbeitsgruppe um Prof. O. Jacobs "A First Implementation of an Automated Reel-to-Reel Fluidic Self-Assembly Machine" übereinstimmen und diese bestätigen. In der vorliegenden Arbeit wurde zusätzlich noch die Kapillarkraft beachtet, die zwischen Komponente und Substrat wirkt, wenn zwischen diesen ein Flüssigkeits film vorliegt. Diese hat auch zahlenmäßig einen großen Wert und sorgt dafür, dass die Komponenten zusätzlich angeregt werden müssen. Daher werden in der vorliegenden Arbeit die Komponenten zusätzlich akkustisch angeregt. Im Rahmen der Durchführung der Experimente der fl uidischen Selbstmontage von Siliziumchips wurde ein neuer Aufbau entwickelt. Dieser ist klein und folglich sehr leicht. Außerdem wurde bei der Konstruktion des Behälters darauf geachtet, dass dieser ohne großen Aufwand mit Substrat und Komponenten befüllt werden kann. Durch das kleine Volumen lässt sich die Flüssigkeit darin schnell erhitzen und über einen längeren Zeitraum konstant halten. Außerdem enthält der neue Aufbau einen integrierten Pumpkreislauf angetrieben von einer Kolbenpumpe. Durch den Wasserstrom im Behälter verteilen sich die Komponenten gleichmäßig und bewegen sich schnell nach unten in Richtung Trichter. Durch die Komponentenzirkulation können die Komponenten wiederverwendet werden, da sie von dem Trichter aus nach oben in den Behälter gepumpt werden und dem Montageprozess wieder zur Verfügung stehen. Bei der fluidischen Selbstmontage mit der zusätzlichen akkustischen Anregung durch die Schallwellen eines Lautsprechers unter Verwendung der optimalen Parameter konnte eine Besetzungsrate von 92,2 % erzielt werden. Bei der fluidischen Selbstmontage mit der zusätzlichen akkustischen Anregung durch die Ultraschallwellen eines Ultraschallbades konnte unter Verwendung der optimalen Parameter eine Besetzungsrate von 97 % erreicht werden. Bei der Auswahl der Parameter wurde darauf geachtet, dass die mit dem größten Ein uss auf die Besetzungsrate der fluidischen Selbstmontage experimentell untersucht wurden. Der fluidische Selbstmontageprozess läuft bei beiden Anregungsmethoden ähnlich ab. In beiden Fällen kommen die Komponenten mit möglichst gleichförmigem konstanten Komponenten uss in den Behälter. Dort werden diese zusätzlich zu dem Wasserstrom der Pumpe mithilfe der wellenförmigen Anregung durch den Schall des Lautsprechers oder den Ultraschall des Ultraschallbades gleichmäßig im Behälter und folglich auf dem Substrat verteilt. Dadurch können die Komponenten die starke wirkende Kapillarkraft, welche zur Haftung der Komponenten auf dem Substrat führt, überwinden, um in Bewegung gesetzt zu werden. Dies ist die Voraussetzung dafür, dass die Komponenten sich in Richtung der Rezeptoren bewegen und diese besetzen.