Optimierung und Miniaturisierung eines mikrosystemtechnisch umgesetzten binären Zählmechanismus. - Ilmenau. - 126 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Der Einsatz autonomer elektrischer Mikrosysteme, die über längere Zeiträume rauen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, wird häufig durch degenerative Energiespeicher limitiert. Ein alternativer Einsatz besteht daher darin, Mikrosysteme die solchen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, vollständig ohne die Verwendung von elektrischer Energie zu betreiben. Im Fokus dieser Arbeit steht die Optimierung und Miniaturisierung eines bereits bestehenden mikrosystemtechnisch umgesetzten binären Speichers bzw. Zählers. Dieser Zähler benötigt für seine Nutzung keine elektrische Energie. Stattdessen arbeitet er ähnlich wie ein makroskopischer Handzähler rein mechanisch. Mit dem Ziel das Konzept des bereits vorliegenden binären Zählmechanismus in Kombination mit weiteren autonomen Mikrosystemen zu betreiben, ist es Gegenstand dieser Arbeit, den Mechanismus diesbezüglich zu optimieren. So können beispielsweise Grenzwertereignisse energieautark erfasst und gezählt werden. Hierzu sollen die zum Schalten nötigen Kräfte und Auslenkungen reduziert werden. Ferner soll die Systemgröße des Speichers bei gleichzeitiger Erhöhung der Bittiefe minimiert werden. Der Ansatz für die Umsetzung dieser Ziele besteht in der Analyse des bestehenden Systems. Durch die Aufdeckung und Optimierung vieler sich gegenseitig bedingender Beziehungen und Geometrien, wird im Rahmen dieser Arbeit eine Verringerung der Systemgröße erreicht. Um die Möglichkeit zu schaffen, solch rein mechanische Speicher elektrisch auswerten zu können, besteht ein weiteres Ziel der Arbeit in der elektrischen Anbindung des mechanischen Systems. Mit Hilfe piezoresistiver Messbrücken wird über eine einfache elektrische Anbindung hinaus noch ein mechatronischer Digital-Analog Wandler realisiert, der mechanisch gespeicherte Binärzahlen in einen analogen Spannungswert transformiert.
Untersuchung des Einflusses der Dotierung auf das Gefüge eines fotostrukturierbaren Glases unter Verwendung fs gepulster Laserstrahlung. - 150 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die Masterarbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Wechselwirkungsprozessen zwischen fs gepulster Laserstrahlung und fotostrukturierbarem Glas. Dazu wurde ein Lithiumalumosilicatglas mit der Zusammensetzung eines fotostrukturierbaren Standardglases FS21 unter Verwendung von 16 unterschiedlichen Dotantenkombinationen erschmolzen und zu Proben verarbeitet. Alle Gläser wurden mittels Femtosekundenlaser oder breitbandig emittierender Quecksilberdampfhöchstdrucklampe ( integriert in einem Maskaligner) partiell belichtet und zweistufig getempert, um einen Vergleich zwischen einem Standardlithographieprozess (Lampen basiert) und einer selektiven Laserbelichtung zu erhalten. Es wurden umfangreiche spektralphotometrische Untersuchungen (Reflexionsmessung im Wellenlängenbereich 190 nm ≤ [lambda] ≤ 1000 nm) nach jeder Behandlungsstufe des Fotoformprozesses (Ausgangsgläser, nach Belichtung, nach Temperung) durchgeführt. Aus den Messwerten wurden relative Änderungen bezüglich eines definierten Referenzzustandes errechnet und ausgewertet. Die Methode ist geeignet belichtungsseitig und thermisch induzierte Änderungen diskreter Absorptionen im Bereich der UV-Kante der Gläser darzustellen. Ergänzt durch visuelle Begutachtung der Proben sowie Lichtmikroskopie-, AFM-, REM- und XRD-Messungen werden Laser induzierte Strahlenschäden im Bereich der Dotanden und des Grundglases diskutiert. Der wesentliche Unterschied zwischen einem Maskaligner- und fs Laser-Belichtungsprozess besteht darin, dass Ce3+ im Laserbelichtungsprozess nur eine untergeordnete Rolle für die Fotosensitivität spielt. Anhand der Ergebnisse der Messungen wird eine Empfehlung für die Anpassung der Zusammensetzung eines fotostrukturierbaren Glases für die Laserbelichtung unter den in der Arbeit verwendeten Parametern gegeben.
Infiltration poröser Keramikkörper mit Metallschmelzen. - 132 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Herstellung von Verbundkeramiken über die reaktive Flüssigphaseninfiltration von Metallschmelzen in poröse Keramikkörper untersucht. Hierfür wurden Pulvermischungen aus einer inerten Komponente und einer reaktiven Komponente gemischt und kalt-isostatisch gepresst. Die Grünkörper wurden anschließend mit einer Metallschmelze infiltriert, wobei die reaktive Pulverkomponente mit der Schmelze zu einer neuen keramischen Phase reagierte. Die hergestellten Verbundkeramiken wurden hinsichtlich der Gefügebildung mit Elektronenmikroskop-Bildern, der gebildeten Phasen mittels Röntgenbeugung und ihrer Restporosität untersucht. Die Oxidationsbeständigkeit ausgewählter Proben wurden mittels Thermo-Gravimetrie getestet. Es konnte gezeigt werden, dass die Pulver-Presslinge von der Schmelze infiltriert wurden. Es entstand ein mehrphasiges Gefüge, wobei die reaktive Komponente stets komplett umgewandelt wurde. Bei der Untersuchung des Infiltrationsprozesses wurde festgestellt, dass die Phasenbildung stark exotherm ist und durch die einströmende Schmelze der Partikelverbund teilweise zerstört wurde, wodurch die Formbeständigkeit nicht mehr gegeben war und Risse gebildet wurden. Dadurch verblieb unreagiertes Metall im Gefüge, was die Oxidationsbeständigkeit negativ beeinflusst. Thema in zukünftigen Arbeiten ist die Reduzierung des Anteils unreagierten Metalls und der Verformung der Proben nach der Infiltration.
Entwicklung einer Analysemethode zur Bestimmung geometrischer Abmessungen asphärischer Partikel und der Einfluss auf das Aufschäumverhalten von Aluminiumschaum. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die Struktur der Aluminiumschäume wird während der pulvermetallurgischen Herstellung von über zwanzig Parametern beeinflusst. Eins der wichtigsten Einflussgröße ist die Partikelform. Die Partikelform beeinflusst unteranderem den Verdichtungsprozess, die Grünlingfestigkeit und das Aufwärmverhalten. Zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften der Partikel wird ein computerunterstütze Auswerte Algorithmus entwickelt. Dazu werden die Pulverpartikel eingebettet. Die entstandene Probe wird anschließend sukzessive geschliffen. Jede Schliffebene wird mit Hilfe eines Kamerasystems aufgenommen und mit dem entwickelten MATLAB Programm digital verarbeitet. Anhand eingesetzter Referenzmarken werden die einzelnen Schliffbilder mit Hilfe der Auswertesoftware zueinander ausgerichtet und in einem dreidimensionalen Modell dargestellt. Das Volumen und die Form der dreidimensional dargestellten Pulverpartikel werden anhand des Modells ermittelt. Anschließend werden verschiedene Expansionsverhalten der Aluminiumschaumkörper von zeitlich differenziert gemahlenen Aluminiumpulvern mit den geometrischen Eigenschaften der Partikel in Zusammenhang gestellt
Schwingfestigkeitsuntersuchung faserverstärkter Kunststoffe und Korrelation zur Schallemissionsanalyse. - 250 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Für eine effektive Auslegung und Überwachung von Faser-Kunststoff-Verbundbauteilen im Antriebs- und Fahrwerksbereich von PKW und NKW werden exakte Informationen über das Schädigungsverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) benötigt. Für diese Untersuchung wird in der vorliegenden Arbeit die Schallemissionsanalyse (SEA) bei quasistatischer und zyklischer Belastung von Glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) eingesetzt. Die SEA beruht auf der Aufnahme und Analyse von Schallemissionen (AE), die aufgrund von Veränderungen und Schädigungen innerhalb von Werkstoffen entstehen. Anhand der AE-Signale kann auf Schädigungsart und Ort geschlossen werden. Um die Aussagekraft dieses Verfahrens zu evaluieren, werden die Ergebnisse mit zerstörungsfreien Werkstoffprüfverfahren (optische und thermographische Bildaufnahme) sowie Bruchflächenanalysen mittels Lichtmikroskop und Rasterelektronenmikroskop (REM) korreliert. Die zu untersuchenden FKV sind unidirektional endlosfaserverstärkte GFK- Probekörper mit Epoxidmatrix sowie kurz- und langfaserverstärkte Probekörper mit einer thermoplastischen PA66- Matrix. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die SEA eine Bewertung der auftretenden Schädigungsarten möglich ist. Die Korrelationen zur optisch erkennbaren Schädigung und Thermographie liefern sehr gute Übereinstimmungen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die SEA eine Früherkennung auftretender Schädigungen aufgrund der höheren Empfindlichkeit gegenüber den optischen und thermographischen Systemen ermöglicht. Die angezeigten Schädigungsarten konnten mit Hilfe der angefertigten Bruchflächenanalysen bestätigt werden. Durch Lebensdaueruntersuchungen unter zyklischer Belastung konnte gezeigt werden, dass die Lebensdauer der GFK- Verbunde temperaturabhängig ist. Eine Frequenzabhängigkeit der Lebensdauer zeigte sich nicht. Des Weiteren konnte die in der Literatur beschriebene Möglichkeit zur Bestimmung der Dauerfestigkeit Dauerfestigkeit von GFK- Verbunden anhand charakteristischer AE-Schwellen infolge der durchgeführten Versuche nicht bestätigt werden. Ebenso zeigte sich, dass eine Korrelation zwischen auftretenden AE-Signalen und optisch ermittelter Dehnung keine exakten Übereinstimmungen ergeben. Zusätzlich wurden Schallgeschwindigkeitsmessungen an den GFK- Verbunden durchgeführt. Als Ergebnis kann festgestellt werden, dass diese für Metalle und Keramiken bereits etablierte Methode der zerstörungsfreien E-Modulbestimmung durch Ultraschall aufgrund deutlicher Abweichungen für FKV nicht zweckmäßig ist. Durch die Bruchflächenanalysen konnten Unterschiede zwischen statisch und zyklisch belasteten kurzfaserverstärkten (SFT)- und langfaserverstärkten (LFT)- Probekörpern ermittelt werden. Für eine exakte Unterscheidung sind allerdings weiterführende Untersuchungen notwendig.
Entwicklung einer Laser-Auftragsschweißschicht für Großkolbenringe. - 123 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die Beschichtung von Kolbenringen mittels Laserauftragsschweißen. Dabei sollen verschiedene Schichtkonzepte getestet und evaluiert werden. Ziel ist es Eigenschaften zu erreichen, die den bestehenden Schichtsystemen, vor allem in Bezug auf ihre Verschleißfestigkeit, in nichts nachstehen. Im theoretischen Teil der Arbeit soll ein kurzer Einblick in die Funktionsweise des Dieselmotors gegeben werden. Die Aufgaben und Anforderungen an die Kolbenringe stehen dabei im Vordergrund. Zusätzlich wird auf das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm eingegangen, da es Grundlage für die verwendeten Substrate ist. Weiterhin soll das verwendete Lasersystem sowie das Laserauftragsschweißen erklärt werden. Zusätzlich werden die grundlegenden thermodynamischen Prozesse erläutert. Außerdem wird auf bestehende Schichtsysteme eingegangen. In den praktischen Versuchen kamen sowohl ein Dioden-Faser-Laser, als auch ein CW-Laser zum Einsatz. Ziel war es geschlossene Schichten, mit guter Oberflächenqualität, guter Anbindung zum Substrat und Härte zu erzeugen. Zu Beginn musste dabei die Anlage optimal eingestellt und von Fehlern befreit werden. Diese äußerten sich in der Form von Poren, Rissen und schwankenden Wirkungsgraden. Es wurde zuerst versucht Schichten aus der galvanischen Verchromung und dem thermischen Spritzen zu reproduzieren. Das Spritzen von Chrompulver konnte keine guten Schichten erzeugen und die thermischen Spritzschichten hatten mit Rissen zu kämpfen. Anschließend wurden verschiedene Matrixmaterialien erprobt. Insbesondere Metcoclad 625, Metcoclad 6, Diamalloy 1002 und XPT-512 zeigten hervorragende Eigenschaften, beispielsweise hohe Wirkungsgrade und homogene Schichten. In weiteren Versuchen wurden zusätzlich Hartstoffe in die Matrix eingebracht. Diese Versuche waren nur teilweise erfolgreich. Die hohe Reaktivität mit Sauerstoff wurde hier als Hauptproblemfeld indentifiziert. Wolframcarbid allerdings hatte dieses Problem nicht. Die Verwendung von bereits agglomerierten Pulvern zeigte gute Ergebnisse. Es konnten homogene Schichten ohne Fehler erzeugt werden. Die Untersuchung der Schichten erfolgte hauptsächlich mit dem Lichtmikroskop. Für ausgewählte Systeme wurden weiterhin REM-Aufnahmen und EDX-Analysen durchgeführt. In der Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Laserauftragsschweißen für Kolbenringe möglich ist. Es konnten verschiedene Schichten erzeugt werden, die eine gute Anbindung an das Substrat hatten und fehlerfreie Gefüge aufweisen.
Grundlagenuntersuchung zur Anwendung einer Sandwichstruktur - cermetische Schicht/Aluminium/Aluminium-Schaum/Aluminium - im Bereich Schutz. - 101 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Im Zuge internationaler Friedensmissionen werden deutsche Streitkräfte mittlerweile weltweit eingesetzt. Bei diesen Friedensmissionen werden unter anderem geschützte Fahrzeuge eingesetzt, die das höchste Gut - das Leben der Soldatinnen und Soldaten - schützen sollen. Ein derartiger Schutz wird oftmals durch massive und dicke Stahlplatten oder mehrschichtige Hybridsysteme realisiert. Diese genutzten Systeme haben den Nachteil einer hohen Masse, was wiederum die Mobilität der geschützten Fahrzeuge reduziert. Um den damit verbundenen logistischen Aufwand und die Mobilität bei gleichbleibendem Schutz zu reduzieren bzw. zu steigern, werden für alternative Schutzsysteme neue Werkstoffentwicklungen, neue Fertigungstechnologien und alternative Bauweisen untersucht und eingesetzt. Eine Möglichkeit, ein alternatives Schutzsystem zu realisieren, ist die Verwendung von cermetischen Schichten. Diese cermetischen Schichten können beispielsweise auf Stahlplatten, unter Verwendung der thermischen Spritztechnik, aufgebracht werden. Der Einsatz von beschichteten Stahlplatten hat den Vorteil, dass sie im Vergleich zu reinen Stahlplatten dünner ausgelegt werden können und somit Gewicht gespart werden kann. Diese Leichtbaulösung neigt allerdings aufgrund der dünneren Plattendicke beim Einwirken einer definierten Masse mit hoher kinetischer Energie zur elastischen Ausbeulung. Als Folge dieser elastischen Ausbeulung kann es zum globalen Abplatzen der cermetischen Beschichtung kommen, wodurch das Schutzpotenzial reduziert wird. Durch die in dieser Masterarbeit untersuchte Sandwichstruktur - cermetische Schicht/Aluminium/Aluminium-Schaum/Aluminium - soll aufgrund der hohen Energieabsorption der geschäumten Kernlage das elastische Ausbeulen der Grundplatte und somit das globale Abplatzen der cermetischen Beschichtung reduziert bzw. verhindert werden. Der Einschlag einer definierten Masse mit hoher kinetischer Energie wurde in dieser Masterarbeit durch einen eigens hierfür aufgebauten Fallversuch realisiert. Auf Basis der durchgeführten Arbeiten und Untersuchungen werden die ausgewählten thermisch beschichteten und geschäumten Sandwischstrukturen für die Anwendung im Bereich Schutz analysiert und bewertet. In dieser Masterarbeit konnte gezeigt werden, dass die cermetische Schicht, welche mittels des thermischen Flammspritzens aufgebracht wurde, beim Einschlag einer definierten Masse aus einer festgelegten Fallhöhe nur in unmittelbarer Umgebung des Einschlagslochs abplatzt. Das bei massiven Stahlplatten auftretende globale Abplatzen konnte demnach verhindert werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass das Deformations- und Energieabsorptionsverhalten der Sandwichstruktur von der Dicke der Beschichtung, der Dicke der Sandwichstruktur und von der Anzahl und Position von Defekten innerhalb der geschäumten Kernlage entscheidend beeinflusst wird.
Aufbau und Charakterisierung von thermoelektrischen Modulen auf der Basis von Mg- und Mn-Silizid. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Thermoelektrische Module (TEM) aus n- und p-dotierten Halbleitermaterialien können als Folge einer Temperaturdifferenz direkt elektrische Energie erzeugen und stellen eine vielversprechende Technologie zur Energierückgewinnung aus Abwärme dar. In diesem Zusammenhang zeichnen sich Silizide durch ihre geringen Kosten, die hohe Verfügbarkeit sowie ihre Umweltverträglichkeit aus, sodass sie ein hohes Potential für die Verwendung in TEM bieten. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem experimentellen Aufbau und der Leistungscharakterisierung von TEM auf der Basis von n-Mg2Si0,4Sn0,6 und p-MnSi1,81. Zur Herstellung der Proben wurden pulvermetallurgische Verfahren unter Ar-Atmosphäre angewendet. Die Synthese und Kompaktierung der Proben erfolgte im Spark Plasma Sinterverfahren (SPS). Um die thermoelektrischen Eigenschaften (elektrische Leitfähigkeit , Seebeck-Koeffizient S und Wärmeleitfähigkeit ) zu optimieren und die Effizienz der Energiewandlung zu erhöhen, wurden die Silizide dotiert. Das Multidrahtsägen konnte erfolgreich zur Produktion von thermoelektrischen Schenkeln eingesetzt werden. Eine Herausforderung bei der Konstruktion eines TEM stellte hingegen die Wahl eines geeigneten Lötmaterials dar, welches die hohe elektrische Leitfähigkeit aufrechterhalten soll und keine Reaktionen mit dem thermoelektrischen Material hervorrufen darf. Daher wurden unterschiedliche metallische Folien als mechanisch und thermisch stabile Diffusionsbarrieren eingesetzt. Die Untersuchung der Reaktionsschichten erfolgte mittels REM- und EDX-Analyse. Charakterisiert wurden die TEM an einem am Fraunhofer IFAM Dresden entwickelten Prüfstand unter statischen Temperaturbedingungen. Einen der wesentlichen Aspekte dieser Arbeit stellte die Senkung des Innenwiderstandes Ri durch eine geeignete Kombination von Silizid, Diffusionsbarriere und Lötmaterial dar. Die generierte elektrische Leistung eines Moduls wurde abschließend aus der Messung von U-I-Kennlinien bestimmt.
Charakterisierung von Hochleistungs-Impuls Magnetronsputterprozessen im Labor- und Industriemaßstab. - 128 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Um Beschichtungs-Prozesse im Bereich der Plasmatechnik aus der Forschung in die Industrie zu übertragen, müssen wichtige Stellgrößen gefunden werden, um vergleichbare Plasmazusammensetzungen in der Industrie zu erhalten. Diese Zusammensetzung bestimmt die Schichteigenschaften und wird durch eine Vielzahl von Parametern bestimmt. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von veränderter ON-Zeit, Frequenz und Ladespannung auf die Elektronentemperatur, Plasmadichte, Spitzenstromdichte und die Intensität innerhalb von Hochleistungs-Impuls Magnetronsputter-Prozessen untersucht und dargestellt. Zur Bestimmung wurden eine Langmuir-Sonde und die Optische Emissionsspektroskopie genutzt. Die Intensitäten wurden zeitaufgelöst und zeitgemittelt bestimmt. Zudem wurde das Ionen/Neutralteilchen-Verhältnis an der Substratoberfläche für ausgewählte Parameter untersucht und als Basis für einen ersten Versuch der Prozessübertragung von einer Forschungs- und Entwicklungskathode (45,6 cm^2) auf eine Industriekathode (315 cm^2) genutzt. Als alternative Ausgangsbasis diente die Stromdichte. An einem Kupfer- und einem Aluminium-Target konnte gezeigt werden, dass Spitzenstromdichte, Plasmadichte und Intensität mit der Ladespannung stiegen und die Elektronentemperatur sank. Auch die Erhöhung der ON-Zeit führte zu tendenziell höheren Spitzenstromdichten, Plasmadichten und Intensitäten, wobei die Spitzenstromdichte hier gegen ein Maximum lief. Plasmadichte und Intensität zeigten eine direkte Abhängigkeit vom Strom und verhielten sich ähnlich. Für Spitzenstromdichte und Intensität konnte zudem eine Frequenzunabhängigkeit nachgewiesen werden. Nur angeregtes Aluminium wich von diesem Verhalten ab. Die Übertragung führte zu vielversprechenden Ergebnissen. Es zeigte sich, dass die Spitzenstromdichte nicht zu vergleichbaren Ergebnissen führt, während die Wahl des Verhältnisses gute Übereinstimmungen bei Plasmadichte und Intensität liefert. Hierbei zeigte sich zudem, dass der Spitzenstrom und nicht die Spitzenstromdichte eine wesentliche Stellgröße für eine Übertragung sein könnte.
Untersuchung zur Modellierung, Simulation der Flussdichteverteilungen und Optimierung von HTSL-Anordnungen für die Lorentzkraftanemometrie. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die Lorentzkraftanemometrie ist ein Messverfahren, das die berührungslose Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Fluids ermöglicht. Grundprinzip ist die Messung der Reaktionskraft auf ein Magnetsystem, dessen Feld den Strömungskanal durchsetzt. Mit dieser Arbeit werden Grundlagen gelegt, um ein Magnetsystem auf Basis von Hochtemperatursupraleitern zu entwickeln. Dazu wird experimentell die Flussdichteverteilung zwischen einem Paar Hochtemperatursupraleiter in einem Temperaturbereich von 22K bis 80K bei Feldstärken von bis zu 5T bestimmt. Außerdem wird der Einfluss der Bulktemperatur auf die maximal speicherbare Flussdichte untersucht. Mit der Multiphysiksoftware Comsol Multiphysics wird ein Modell entwickelt, das für eine gegebene Flussdichteverteilung eine Stromdichteverteilung im HTSL-Bulk approximiert. Es wird außerdem die Basis für eine Optimierung eines Magnetsystems auf HTSL-Basis gelegt. Dafür wird ein zweites Modell entwickelt, das mit Hilfe der ermittelten Stromdichteverteilung die zu erwartende Lorentzkraft auf ein Magnetsystem aus einem bzw. drei HTSL-Bulkpaaren berechnet. Es werden die derzeit bestehenden Probleme aufgezeigt und mögliche Ursachen diskutiert.