Master-/Diplomarbeiten

CALPHAD ist die Abkürzung von "Calculation of Phase Diagrams". Es wird weiterhin im Untertitel des CALPHAD-Journals als "The Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry" definiert. Nämlich ist es die englische Bezeichnung für die computergeschützte Simulation von Phasendiagrammen und Thermochemie (SaM98). CALPHAD ist eine beliebte Methode, um ein Phasendiagramm zu erhalten. Heutzutage wird die CALPHAD-Methode in vielen Bereichen angewendet, wie Stahlindustrie, Nichteisenmetall, Salzschmelze, Keramischer Werkstoff, Polymermaterialien, Chemieindustrie und so weiter. Als ein wichtiger Parameter in CALPHAD ist Gibbs-Energie sowie Funktionen nach Gibbs-Energie. Mittels erweiternder Forschungen können mehrere thermochemische Eigenschaften oder Daten nach CALPHAD berechnet und eingeschätzt werden, wie Diffusion, Phase-field sowie Mikrostruktur oder andere. In der schon erwähnten Arbeit wurde die Entwicklung von CALPHAD vorgestellt. Diese Methode weist vorteilhaft weniger Zeitaufwand und einfacher Bedienbarkeit auf. Trotzdem hat die auch seine Einschränkung. Die heutzutage meist verwendete Datenbank für CALPHAD ist die aus SGTE (Scientific Group Thermodata Europe). Die jeweiligen vorgegebenen Daten von reinen Elementen in dieser Datenbank werden bei Standardatmosphäre und normaler Raumtemperatur (1atm; 298,15K) definiert. Um die extremen Bedingungen wie beim Ultrahochdruck oder sehr niedriger Temperatur zu untersuchen, wurden weitere nachfolgende Forschungen gefördert. Die heutige Datenbank von CALPHAD wird allmählich für solche Bedingungen ergänzt. Mit der Erscheinung von Nanomaterial ist die Auswirkung von der Materialgröße unvermeidbar. Es gibt schon einige Forschungen für Einschätzung der thermodynamischen Stabilität und der Eigenschaft von Nanomaterial. Trotzdem sind die anfänglichen Forschungen noch unzureichend, um die Datenbank zu erneuern. Auf der anderen Seite werden Eisenlegierungen in Bereichen von Elektronik, Maschinenbau sowie Chemieanlagenbau angewendet. Legierungselemente spielen eine wichtige Rolle in der Veränderung der Eigenschaften von einer Legierung. Normalerweise wirken die möglichen Legierungselemente in Eisenlegierung als Zusatz ein. Die möglichen Phasendiagramme des binären oder ternären Systems von Eisen mit entsprechendem Legierungselement Eisen werden durch gelieferte Daten aus Experiment oder thermodynamischer Modellierung nach CALPHAD werden dargestellt und beschrieben. Ein Phasendiagramm ist ein Maßstab zur Bestimmung des Zustands von einem Material in einer gewissen Bedingung. Die Begriffe von Phase und Phasendiagramm wurden erklärt. Löslichkeit spielt eine wichtige Rolle in Bildung des Mischkristalls. Beim Erstarren mit unterschiedlicher Situation von Löslichkeit zwischen zwei Elemente werden verschiedene Arten von Phasendiagrammen erhalten. Einige davon wurden dargestellt und beschrieben. Die Bestimmung der Gibbs-Energie bei einem gewissen Punkt wurde dann vorgestellt. Normalerweise ist die Lösungsphase eine relativ wichtigere Phase während der Modellierung von Gibbs-Energie nach CALPHAD. Einige Modelle von Gibbs-Energie für die Lösungsphase wurden angezeigt und beschrieben. Zusätzlich wurde die Triebkraft kurz erklärt. Aus den Recherchen kann man herausfinden, dass relativ geringe Arbeiten durch die Simulation über Phasendiagramm des Fe-Ni-C Systems diskutieren. Deshalb ist diese zusätzliche Forschung der Phasendiagramme von Fe-Ni-C System durch die computergestützte Simulation notwendig. Das Phasendiagramm von Fe-Ni-C System wurde mittels Thermo-Calc hergestellt. Im Vergleich zur gefundenen Literatur für Fe-Ni-C System wurden einige unterschiedlichen Punkte beobachtet. Für die Untersuchung von Triebkraft wurde X6Cr17 ausgewählt. Die Triebkraft von M23C6 in Matrix BCC_A2 bei 650 ˚C wurde auch mittels Thermo-Calc nach CALPHAD berechnet und die relevanten Diagramme mit verschiedenen Parametern dargestellt. Zusätzlich wurde das Phasendiagramm von Fe-Cr-C System erstellt und mit der gefundenen Literatur verglichen. In der Zukunft dürfen mehrere Experimente für Phasendiagramm von Fe-Ni-C System und weitere Simulationen davon mit kompletter Version von Thermo-Calc geführt werden. Durch mehrere Vergleichsversuche kann das Ergebnis weiterhin überprüft werden.

Das Ziel der Arbeit ist es, durch Oberflächenmodifizierung an stabilisiertem Zirkoniumdioxid die mechanischen Eigenschaften zu steigern und gute optische Eigenschaften zu erhalten. Zu diesem Zweck wurden Probekörper aus Zirkoniumdioxid mit 3 Mol-% und 5 Mol-% Yttriumoxid hergestellt. Die Oberflächenmodifizierung wurde durch Sandstrahlen, Schleifen mit einem horizontalen Tellerplattenschleifer sowie einem diamantierten Turbinenschleifer durchgeführt. Für den Bearbeitungsvorgang wurden verschiedene Parameter pro Oberflächenmodifizierung verwendet. Die Rauigkeit des Profils wurde als Prüfkriterium herangezogen. Die Probekörper wurden nach der DIN EN ISO 6872 auf die biaxiale Festigkeit geprüft. Ergänzende Prüfergebnisse wurden durch die Röntgendiffraktometrie, Gefügeanalyse und optische Beurteilung ermittelt. Ausgewählte Serien von geschliffen Proben wurden zudem mit einem Sol-Gel tauchbeschichtet und getestet. Die Ergebnisse zeigen eine Festigkeitssteigerung durch Oberflächenmodifizierung ohne negativen Einfluss auf die optischen Eigenschaften. Die Festigkeitswerte variieren in Abhängigkeit von dem eingesetzten Material und der jeweiligen Oberflächenmodifizierung. Die Oberflächenmodifizierung zeigt unterschiedliche Einflüsse auf die verschiedenen Probekörper. Die Probekörper mit 5 Mol-% zeigten bei feinkörniger Bearbeitung der Oberfläche einen Anstieg der Festigkeit. Mit steigender Rauheit des Oberflächenprofils fallen die Festigkeitswerte ab. Die Probekörper mit 3 Mol-% Yttrium zeigen gegenüber den 5 Mol% Probekörpern ein signifikant höheren Festigkeitswert. Die Probekörper mit 3 Mol-% zeigen entgegengesetzt zu den Probekörpern mit 5 Mol-% eine maximale Festigkeit nach Bearbeitung mit einer grobkörnigen Schleifscheibe. Die Röntgendiffraktometrie-Messungen zeigten beim 3 Mol-% Yttrium eine Erhöhung des relativen monoklinen Phasenanteils durch die Oberflächenbearbeitung. Dieser Effekt wurde bei den Probekörpern mit 5 Mol-% nicht festgestellt. Weiterführende Versuche im Fachbereich Glas und Keramik können auf Basis der erstellten Dokumente zielgerichtet durchgeführt werden.

Im Hinblick auf die steigende Nachfrage nach hochfestem Stahl in der Automobilindustrie wurde die Wasserstoffversprödung von Zink-Nickel-abgeschiedete Stahl-C-Ringen untersucht. Ziel dieser Arbeit war es, die wichtigsten Einflussfaktoren eines sauren Zink-Nickel-Elektrolyten auf die Wasserstoffversprödung zu untersuchen. Um diese Phänomene zu analysieren, wurde die Analysemethode nach DIN 50969 Teil 2 verwendet, bei der mit Zink-Nickel abgeschiedete C-Ringe durch äußere Zugspannungen in der Prüfeinrichtung aufgeweitet wurden und die Ergebnisse über den Prozentsatz der gebrochenen C-Ringe ausgewertet wurden. Die Verwendung von C-Ringen für diese Untersuchung hat den Nachteil, dass die Realität von galvanisch abgeschiedenen Schrauben nicht direkt mit dem Ansprechverhalten von C-Ringen verglichen werden kann, da das Grundmaterial möglicherweise nicht exakt das gleiche ist. Aufgrund der hohen C-Ring-Härte können diese Ergebnisse jedoch als Referenzquelle für die weitere Untersuchung von Wasserstoffversprödungsphänomenen bei der galvanischen Abscheidung betrachtet werden. GDOES- und FIB-FESEM-Analysemethoden wurden eingesetzt, um tiefere Kenntnisse darüber zu erlangen, wie sich Wasserstoffversprödung in diesem Prozess verhält. Es wurde festgestellt, dass die Stromdichte direkt proportional zur Wahrscheinlichkeit von C-Ring-Brüchen im sauren Zink-Nickel-Elektrolyten Zinni 220 ist. Es wird angenommen, dass die Stromdichte die Schichteigenschaften, wie z.B. die Korngröße und/oder das Gefüge, beeinflusst. Darüber hinaus wurde bei der GDOES-Profilierung ein tieferes Eindringen und eine höhere Konzentration von absorbiertem Wasserstoff im Grundmaterial mit zunehmender Stromdichte beobachtet. Infolgedessen ist die Wahrscheinlichkeit einer Wasserstoffrekombination im Grundwerkstoff mit zunehmender Stromdichte höher. Es wurde festgestellt, dass das Phänomen der Wasserstoffversprödung mit zunehmender Abscheidungszeit bis zu einem bestimmten Punkt (< 35 Minuten) zunahm. Es wird angenommen, dass die Diffusion des absorbierten Wasserstoffs in den Grundwerkstoff bis zu einer bestimmten Schichtdicke voranschreitet. Folglich hatten längere Abscheidungszeiten (> 35 Minuten) keinen Einfluss auf den Grad der Wasserstoffversprödung in diesem Prozess. Es wurde festgestellt, dass der Glanzzusatz Zinni 222b das Wasserstoffversprödungsphänomen im sauren Zink-Nickel-Elektrolyten Zinni 220 reduziert. Zinni 222b wirkt als Kornfeinungsmittel. So muss der absorbierte Wasserstoff mit zunehmender Konzentration von Zinni 222b einen längeren Weg von der Beschichtung zum Grundmaterial zurücklegen. Infolgedessen hat der adsorbierte Wasserstoff eine geringere Wahrscheinlichkeit, sich zu rekombinieren und Wasserstoffgas im Grundmaterial zu bilden, was zur Wasserstoffversprödung führt. Die Ergebnisse beweisen, dass die Stromausbeute der Beschichtung die Wasserstoffversprödung im sauren Zink-Nickel-Elektrolyten Zinni 220 nicht beeinflusst hat, obwohl die Stromausbeute ein Indikator für die Wasserstoffmenge ist. Für weitere Studien könnte eine quantitative Analyse durch GDOES zusätzliche Informationen liefern. Darüber hinaus könnten die statistischen Experimente mit der GDOES-Messung berücksichtigt werden. Als Ergebnis könnten nicht nur genaue und quantitative Ergebnisse, sondern auch Prozentsätze des absorbierten Wasserstoffs aus der gesamten Wasserstoffproduktion durch Galvanisierung erzielt werden. Zusätzlich könnte die Heißgasextraktionsmethode verwendet werden, um den gesamten absorbierten Wasserstoff im Material zu ermitteln.

In dieser Masterarbeit wurde die Porenentstehung in Faserverbundkunststoffen aus Glasfasergeweben und Epoxidharz beim Resin Transfer Molding (RTM) Verfahren mit komplexen Geometrien untersucht. Der Stand der Wissenschaft auf dem Gebiet der Porenentstehung innerhalb von Harzinjektionsverfahren wurde recherchiert und verfahrenstypische Werkzeuggeometrien ausgewählt. Ein modulares RTM-Werkzeug wurde entwickelt, das eine variable Einbringung lokaler Permeabilitätsänderungen ermöglichte. Für die eigenen Untersuchungen wurde ein Versuchsplan aufgestellt, der den Einfluss bei unterschiedlicher Werkzeug- und Gewebegeometrie auf Porengeometrie und Porenvolumengehalt beschreibt. Im RTM-Verfahren wurden komplexe Bauteile hergestellt. Die Bauteile wurden mit ausgewählten Prüfverfahren auf Porenentstehung untersucht. Ein bereits bestehendes Berechnungsmodell wurde zur Beschreibung der Porenentstehung auf komplexe Geometrien übertragen. Eine Gesamtbewertung der Untersuchungsergebnisse mit einem Ausblick auf zukünftige Möglichkeiten zur Beschreibung der Porenentstehung bei komplexen Geometrien im RTM-Verfahren wird abschließend gegeben.

Gegenstand dieser Masterarbeit ist der Entwurf einer Elektronik zur Steuerung und Überwachung einer neuartigen EWOD-getriebenen Mikropumpe. Im Konkreten beinhaltet diese die Bereitstellung einer Steuerspannung mit einer Schwingungsbreite von bis zu 200 V bei einer Eingangsgleichspannung im Akkuspannungsbereich von ca. 5 V. Die Steuerspannung stellt dabei verschiedene Ansteuerformen wie Sinus-, Rechteck- oder Dreieck-Profile zur Verfügung. Zur Überwachung des Pumpbetriebs sowie zur Erlangung eines besseren Systemverständnisses gilt es, sowohl die genaue Aktorspannung, als auch den Aktorstrom in Form der Aufzeichnung der zeitlichen Verläufe der Signale zu überwachen. Im ersten Schritt wurden die genauen Anforderungen an die Elektronik in einem Lastenheft dokumentiert. Im Rahmen einer Modellbildung wurde zudem ein elektrisches Ersatzschaltbild zur Mikropumpe erstellt und die elektrische Last anhand von Simulationsergebnissen quantifiziert. Basierend auf dieser Datengrundlage erfolgte die Erstellung mehrerer Konzepte für eine Steuerelektronik. Die Konzepte wurden gegenübergestellt und einer Nutzwertanalyse unterzogen. Das am besten geeignete Konzept wurde in Voruntersuchungen evaluliert und im Entwurfsprozess in eine elektronische Schaltung umgesetzt. Das entworfene Layout wurde als Leiterplatte aufgebaut und mit Hilfe von Experimenten hinsichtlich der Anforderungen überprüft. Basierend auf den Ergebnissen wurden Verbesserungsvorschläge unterbreitet, die weiterführend in einer überarbeiteten Variante der Elektronik umgesetzt werden können. Ein besonderes Augenmerk lag im ganzen Entwicklungsprozess auf der Kompaktheit des Systems, im Hinblick auf die Integration der Elektronik im Pumpenchip. Zudem wurden vorbereitende Maßnahmen, wie die Wahl eines geeigneten Mikrocontrollers für die drahtlose Kommunikation zwischen Mikropumpe und Peripheriegeräten getroffen. Der netzunabhängige Betrieb mit einem Akkumulator wurde ebenfalls vorgesehen.