Bachelorarbeiten

Im Bereich des klassischen Maschinen- und Anlagenbau werden zunehmend Leistungsgrenzen der verwendeten Werkstoffe sichtbar. Faser-Kunststoff-Verbund als Konstruktionswerkstoff bietet aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften einzigartige Möglichkeiten der Gestaltung von Strukturen. Eine faserverbundgerechte Konstruktion wird jedoch durch das anisotrope Verhalten von Strukturen erschwert. Eine reine Substitution der Gestaltungsgrundlagen für metallische Werkstoffe ist absolut nicht sinnvoll. Auf diese Weise wird der Großteil an Potential von Faser-Kunststoff-Verbunden nicht genutzt. In der vorliegenden Bachelorarbeit werden Gestaltungsregeln für Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff zusammengefasst. Darüber hinaus werden anhand von empirischen Versuchen, weitere spezielle Gestaltungsregeln aufgestellt und geprüft. Die Untersuchungen basieren auf einer umfassenden theoretischen Analyse sowie experimentellen Nachweisen. Es werden grundsätzlich zwei Gestaltungsregeln für unterschiedliche Anforderungen erarbeitet. Die Nutzung des anisotropen Verhaltes von Faser-Kunststoff-Verbunden und die damit verbundene Verformungs-Koppelungen ermöglichen die Gestaltung von Bauteilen mit vordefinierten Verzerrungen. Der schichtenweise Aufbau bietet dagegen die Möglichkeit Eigenspannungen in das Laminat einzubringen und zwar mit einer entgegengesetzten Richtung zur äußeren Belastung. Das sorgt für eine erhöhte Festigkeit. Hier wurden zwei Verfahren zum Einbringen von Eigenspannungen nach Puck betrachtet. Daraus wurde ein weiteres Verfahre ausgearbeitet und seine Wirksamkeit nachgewiesen.

Die Materialflusssysteme sind Teilgebiete der Logistik und somit ein Element unternehmensspezifischer Produktionssysteme. Sie werden durch ihre Funktionen Fördern, Lagern und Handhaben dem technische Bereich der Logistik zugeordnet. Die Materialflusssysteme setzen sich zusammen aus Materialfluss und entgegengesetzt gerichtetem Informationsfluss, welcher als Steuerelement gilt. Für alle Industriezweige weltweit nehmen diese Systeme immer mehr an Bedeutung zu. Dies liegt hauptsächlich daran, dass mit einem spezifisch, auf die jeweiligen Anforderungen ausgelegten Materialflusssystem, Ressourcen und Kapital eingespart werden. Die Arbeit wurde bei der Bosch Solar Energy AG durchgeführt, einem in Europa führenden Unternehmen in der Entwicklung und Herstellung von Solarzellen sowie -modulen. Das innovative Unternehmen zeichnet sich durch die kontinuierliche Entwicklung neuer leistungssteigernder Zellen und Module, sowie hoher Qualitätsstandards aus. Aufgrund der steigenden Nachfrage zur Nutzung regenerativer Energiequellen ist im Zuge der Energiewende eine stetige Verbesserung der Produkte sowie der dafür eingesetzten Produktionsprozesse notwendig. Die vorliegende Bachelorarbeit liefert eine Neukonzeption des Materialflusssystems zur optimierten Zellversorgung einer Solarmodulfertigungslinie. In Folge der Einführung eines neuen Solarmodultyps, des Halbzellenmoduls und der damit verbundenen Zellbedarfssteigerung, ist die Versorgung des Stringerbereichs neu zu entwickeln. Nach Einführung in die Thematik der Solarenergie folgt eine Vorstellung der vorliegenden Situation sowie ein Einblick in das Unternehmen Bosch Solar Energy AG. Anschließend werden Materialfluss- und Produktionssysteme in ihrer Funktionalität sowie die ihnen zugrunde liegenden Prinzipien vorgestellt. Zur Erfassung aller beteiligten Fertigungs- und Versorgungsbereiche wurde eine Analyse des Ist-Zustandes vorgenommen. Anhand der daraus gewonnenen Erkenntnisse wurden die zu optimierenden Prozesse identifiziert. In Folge dessen wurde ein Soll-Zustand festgelegt, welcher alle Optimierungsansätze beinhaltet. Es wurden verschiedene Lösungsansätze für die Umsetzung ermittelt. Dies beinhaltete auch die Entwicklung und die konstruktive Umsetzung eines Magazinadapters zur Auslegung des neuen Materialflusskonzeptes. Abschließend wurde der Zielzustand des neuen Materialflusssystems konzipiert, ausgelegt und umgesetzt.

Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit der Ondulation bzw. Faserwelligkeit bei gewobenen Fasereinzelschichten. Grundlage hierfür bildet ein im Rahmen der Arbeit aufgestelltes Berechnungs-modell, das mit einem Ondulationsfaktor erweitert wird, sodass realitätsnahe Spannungsverhältnisse in Laminaten dargestellt werden können. Der Ondulationsfaktor [Chi] wird so definiert, dass er ausschließlich Einfluss auf Faserparameter hat. Anschließend werden anhand von praktischen Versuchen mit Vergleichslaminaten die realen Ingenieurskonstanten ermittelt und mit denen des Berechnungsmodells verglichen. Hierzu dient ein ondulationsfreies, unidirektionales (UD-) Laminat, an welchem ein Abgleich zwischen berechneten und ermittelten Werten erfolgt. Der so erhaltene Ausgleichsfaktor wird als [Kappa] bezeichnet. Abschließend wird durch iteratives Abgleichen der angepassten, experimentell gewonnenen Ingenieurskonstanten und denen des Rechenmodells [Chi] so verändert, dass ein theoretisch bestimmter und experimentell ermittelter E-Modul in Längsrichtung für ein beliebig dickes Laminat gleich groß sind. Im Rahmen der Arbeit werden grundlegende Untersuchungen mit Glasfaserproben durchgeführt, wobei die Erkenntnisse später auf weitere synthetische Fasern übertragen werden können. Unter der Verwendung von Glasfasern wird ein Vergleich zwischen UD-, Atlas-, Köper- und Leinwandbindung durchgeführt. Die Zielstellung dabei ist eine Aussage über die Ondulation einer einzelnen gewobenen Faser und deren Einfluss auf die Festigkeitswerte in einem beliebigen Laminat treffen zu können.

Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Charakterisierung eines für große Strahlablenkung konzipierten mikromechanischen, elektrostatischen Aktors. Nach einer kurzen Einführung zu den Grundlagen der verwendeten Messmethoden, werden die Technologieschritte zur Herstellung des Aktors erläutert. Im weiteren Verlauf werden mit den beschriebenen Messmethoden verschiedene Versionen des Aktors untersucht. Neben der mechanischen Charakterisierung werden die für die Aktuierung des Aktors verwendeten Ansteuerregime aufgezeigt und ein Aufbau zur Messung der Strahlablenkung vorgestellt.

Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen weisen an Kanten mit kleinen Radien schlechtere mechanische Eigenschaften auf. Die Gründe hierfür liegen in einer schlechteren Kompaktierung der Laminatlagen und einer eingebrachten Vorspannung der Fasern beim Biegen über die Formwerkzeugkante bei der Herstellung. Werden die Fasern nicht gerade über die Kante gelegt, sondern in einem Winkel, der von der Hauptbelastungsrichtung abweicht, wird eine Verbesserung der Kantenqualität und Abnahme der Vorspannung erwartet. Allerdings nimmt der Elastizitätsmodul in Belastungsrichtung ab. In dieser Arbeit werden die Zusammenhänge von Kantenradius zu Faservorspannung dargestellt und eine Formel entwickelt, mit deren Hilfe Verformungen durch Druckbelastung in Laminatdickenrichtung zu Zug-Druckspannungen innerhalb des Laminats umgewandelt werden sollen. Nachdem zunächst die, bei Biegung der Fasern, theoretisch und praktisch erreichbaren Mindestradien verschiedener Faserarten ermittelt wurden, werden im Vakuuminfusionsverfahren hergestellte Probekörper mit unterschiedlichen Kantenradien in Kombination mit variierenden Ablegewinkeln optisch sowohl auf Fehlerstellen und ungleichmäßige Faserverteilung untersucht, als auch der tatsächlich machbare Mindestradius gemessen. Über einen Drei-Punkt Biegeversuch werden die Kraft Weg Kennlinien und der Verfahrweg bei Versagen der Probekörper aufgenommen. Mithilfe der Klassischen Laminattheorie lassen sich, über die Verformung zum Zeitpunkt des Versagens, die Failure Indices für das Versagenskriterium der maximal ertragbaren Spannungen berechnen. Durch dimensionslose Kennzahlen können die berechneten Failure Indices an die empirisch gefundenen Ergebnisse angeglichen werden. Es wird abschließend abgeschätzt, wie groß ein Ablegewinkel in Abhängigkeit vom gegebenen Kantenradius sein sollte.