Master-/Diplomarbeiten

Im Rahmen dieser Masterarbeit wird der Einfluss von Si, Mn, Ti, Mo, Zr und Cr auf Gießbarkeit und mechanische Eigenschaften von AlSi-Druckgusslegierungen im Gusszustand analysiert. Neben thermodynamischen Simulationen mit JMatPro® und PANDAT® werden Zug- und Plättchen-Biegeversuche, Makro- und Martenshärtemessungen sowie Licht- und Rasterelektronenmikroskopie mit EDX durchgeführt. Legierungsabgüsse in eine Gießspiral-Kokille zeigen bei ≤ 6 wt% Si eine verminderte Fließfähigkeit. Dennoch sind im Druckguss reproduzierbare Abgüsse komplexer, dünnwandiger Prinzipbauteile möglich. Eine Reduzierung der Si-Konzentration führt dabei zu ansteigenden Werten von Bruchdehnung und Biegewinkel bei gleichzeitigem Festigkeits- und Härteverlust. Auffällig ist dabei das Auftreten des Portevin-LeChatelier Effekts bei ≤ 6 wt% Si. Eine Mn-Steigerung führt aufgrund von Mischkristallverfestigung und erhöhtem Anteil von Al15(Fe,Mn)3Si2 zu Festigkeitszuwachs in Verbindung mit Duktilitätsverlust. In Legierungen mit 4 wt% Si treten in der Gießspiral-Kokille ab einem Mn/Fe-Verhältnis von 5,7 und im Druckguss ab 7,5 statt kleiner, runder Fe/Mn-haltiger Phasen verstärkt nadelige Morphologien auf. Bei Erstarrung vor den Al-Dendriten werden diese jedoch blockig. Der kritische Mn-Gehalt für diese vordendritische Erstarrung sinkt mit steigendem Si-Gehalt. Außerdem werden die nadeligen Phasen bei Zugabe von Mo durch Bildung einer AlFeMnMoSi-Phase klein und rund. Bei vordendritischer Erstarrung erscheinen diese mit grober, blockiger Morphologie. Cr-Zugabe führt hingegen verstärkt zur Bildung skelettförmiger Al15(Fe,Mn,Cr)3Si2-Phasen und wird außerdem in den Mo-haltigen Phasen nachgewiesen. Durch beide Elemente steigt die Festigkeit und sinkt die Duktilität nur geringfügig. Durch Erhöhung der Ti- und Zr-Konzentration sinkt die Dendritengröße und steigt die Härte in der Gießspiral-Kokille, was im Druckguss zu erhöhter Festigkeit und Duktilität führt. Zr verursacht aufgrund seines gegenüber Al größeren Atomradius eine effektive Mischkristallverfestigung und steigert damit die Festigkeit bei gleichbleibend hoher Duktilität. Allerdings begünstigt die Zr-Zugabe im Gusszustand als einziges der untersuchten Elemente die Aushärtbarkeit der Legierungen. Dies wird experimentell mit Härtemessungen und Kennwertermittlung nach Langzeitauslagerung bei 120 ˚C für 500 h und mit JMatPro®-Rechnungen bestätigt.

Konventionelle siliziumbasierte Halbleiterbauelemente sind in den letzten Jahrzehnten weitreichend erforscht und entwickelt worden. Auch deren Fertigungstechnologien genügen höchsten Maßstäben. Jedoch erfordern Konkurrenzfähigkeit und Anwendungsvielfalt immer mehr Innovationsbedarf. Bei der Entwicklung von mikroelektronischen Bauelemente zur Anwendung bei der fluidischen Selbstanordnung und dem Transfer flexibler, dehnbarer elektronischer Strukturen wird dargelegt, ob es prinzipiell möglich ist mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand, funktionierende, konventionelle Halbleiterbauelemente, wie MOS-FET's und Mikro-Fotovoltaik-Zellen zu gestalten. Vor der Produktion der eigentlichen MOS-FET's, wurde anhand von Vorversuchen mit verschiedenen Materialien und weiteren Betrachtungen an MOS-Kapazitäten ein Überblick über die prozesstechnische Herausforderung gewonnen. Es kann erfolgreich gezeigt werden, dass es möglich ist MOS-Feldeffekttransistoren zu erzeugen, die ohne Einschränkungen sowohl für fluidische Selbstanordnung, als auch für den Transfer auf flexible, dehnbare Leiterbahnstrukturen geeignet sind. Jedoch dienen die Bauelemente lediglich als Verbrauchsmittel und stellen nicht den aktuellen Stand der Technik dar.

In Politik und Wirtschaft ist der effiziente Umgang mit den Ressourcen der Erde eine zentrale Thematik. Zur Senkung des Treibstoffverbrauchs werden im Automobilsektor zunehmend Faser-Kunststoff-Verbunde verwendet. Sie zeichnen sich durch eine geringe Dichte bei gleichzeitig hohen spezifischen mechanischen Eigenschaften aus. Für Sichtteile des PKW-Exterieurs ist eine hohe Oberflächengüte gefordert, welche durch die Materialklasse der Sheet Moulding Compounds (SMC) realisierbar ist. Bei der Herstellung dieses Werkstoffs wirken sich eine Vielzahl an Prozessparametern auf die Bauteileigenschaften und deren Reproduzierbarkeit aus. Die vorliegende Arbeit befasst sich vornehmlich mit dem Prozessschritt der Eindickung, bei dem die Viskosität des SMC-Halbzeugs signifikant ansteigt, so dass eine Weiterverarbeitung ermöglicht wird. Der Einfluss der Eindickung auf den folgenden Fließpressprozess sowie die endgültige Bauteilqualität wird nachgewiesen, indem zunächst die maßgeblichen Parameter und Randbedingungen der Eindickung identifiziert werden. Hieraus ergibt sich ein Versuchsplan mit variierenden Eindickparametern, welcher als Grundlage für die Herstellung von Probekörpern dient. Bei den gewählten Parameterstufen hat der Eindickergehalt den größten Einfluss auf die Oberflächenwelligkeit. Je größer dessen Anteil ist, umso stärker ist die Welligkeit ausgeprägt. Auf Basis der ermittelten, globalen Pressenparameter ist es möglich die Phasen der Formfüllung zu charakterisieren. Die Dauer der Kavitätsfüllung ist von der Fließfähigkeit der Pressmasse abhängig. Eine hohe Verarbeitungsviskosität führt zu einer längeren Füllzeit, weil das Halbzeug dem Stempel einen größeren Widerstand entgegenbringt. Des Weiteren werden aus den Ergebnissen der Werkstoffanalyse mathematische Prozessmodelle abgeleitet, welche die Oberflächenwelligkeit und die Zugsteifigkeit in Abhängigkeit der Eindickparameter beschreiben. Somit können die Eigenschaften der Probekörper für beliebige Parameterkonstellationen innerhalb der untersuchten Eindickbedingungen errechnet werden.

Galvanisch abgeschiedene Goldschichten schaffen die Voraussetzung, Komponenten, deren Substratmaterialien aus Stahl- oder Stahllegierungen bestehen, mittels Golddrahtbonden zu verbinden. Dieser Prozess basiert darauf, zwei Oberflächen durch metallische Interdiffusion zusammenzufügen. Es wird das Ziel verfolgt, die Adhäsion zwischen Drahtbond und Bondoberfläche unter Verwendung einer möglichst dünnen Goldschicht zu verbessern. Als Substrat werden Transistor-Outline-Sockel (TO-Sockel) verwendet, welche bei der Montage opto-elektronischer Bauteilkomponenten eingesetzt werden. Diese bestehen aus Kovar, einer Legierung aus Eisen, Nickel und Kobalt, und werden zum Korrosionsschutz mit einer Nickelschicht und für den nachfolgenden Drahtbondprozess mit einer Goldschicht galvanisch beschichtet. Um den Einfluss auf die Drahtbondbarkeit zu überprüfen, wird der Beschichtungsprozess sowie die Oberflächentopografie des TO-Sockels variiert und anschließend auf die erzeugten Oberflächen gebondet. Auf Grundlage von Zugtests zur Überprüfung der Haftung zwischen Drahtbond und Goldoberfläche ist es möglich, Rückschlüsse auf den Einfluss der abgeschiedenen Schichten auf die Verbindungsqualität zwischen Bond und Oberfläche zu ziehen. Hierbei werden die gebondeten Drähte bis zum Bruch auf Zug belastet und der maximale Wert der Kraft festgehalten. Weiterhin werden das Substrat, die Schichten sowie die Drahtbondverbindungen mit verschiedenen Analysemethoden untersucht. Unterteilt sind die Beschichtungsvariationen in die drei Kategorien Schichtdicke, Schichtsystem und Topografie. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass durch durchdachtes Kombinieren und Anpassen von Substrat- und Schichtmaterialien eine deutliche Reduzierung der Schichtdicken möglich ist. So kann die Gold-Schichtdicke durch das zusätzliche Abscheiden einer 0,05 [my]m dicken Palladium-Diffusionssperrschicht bei nahezu identischen Zugkräften von 0,30 [my]m um 80% auf 0,06 [my]m reduziert werden. Durch gezielte Kombination der Nickel- und Palladium-Schichtdicken könnte die Gold-Schichtdicke noch weiter reduziert werden. Weiterhin liefert eine geeignete Aufrauhung des Substratmaterials vor der Beschichtung erhöhte Zugkräfte. Somit wäre es möglich, mittels der Variation von Ätzmitteln, Ätzzeiten und Konzentrationen, eine optimale Oberflächentopografie zu erzeugen, um somit die Schichtdicken des Nickel/Gold-Systems zu reduzieren.

Steigende Energiepreise zwingen die Kunststoffindustrie zur Entwicklung energieeffizienterer Extruder. Ein Ansatz zur Erhöhung der Energieeffizienz ist die Nutzung der Abwärme aus Kühlprozessen zur Erwärmung des Granulats vor dem Extrusionsprozess. Die Auswirkungen des vorgewärmten Kunststoffgranulats auf das Betriebsverhalten eines Nutbuchsenextruders werden in dieser Arbeit untersucht. Anfangs werden verschiedene, temperaturabhängige Stoffgrößen erläutert. Desweiteren werden theoretische Berechnungsmodelle für die Zielgrößen Massetemperatur und Massedruck an der Schneckenspitze, Massedruck am Ende der Nutbuchse und Durchsatz vorgestellt. Im experimentellen Teil der Arbeit werden mithilfe eines statistischen Versuchsplans die Haupteinflussgrößen auf den Prozess eines Wendelnutbuchsenextruders ermittelt. Der Einfluss der Granulattemperatur kann dadurch quantitativ bestimmt und mit anderen Haupteinflussgrößen verglichen werden. Mit dieser Erkenntnis wird ein bereits bestehendes Modell für den Durchsatz mit dem Einfluss der Granulattemperatur erweitert und ein neues Modell für die Massetemperatur an der Schneckenspitze entwickelt. Abschließend werden gemessene und berechnete Werte der jeweiligen Zielgröße miteinander verglichen. Der Einfluss der Granulattemperatur auf den gesamten Leistungsbedarf des Nutbuchsenextruders wird ebenfalls in dieser Arbeit untersucht.