Master-/Diplomarbeiten

Im Laufe der letzten Jahre hat der Leichtbau immer mehr an Bedeutung gewonnen. Sei es um Grenzwerte im Transportwesen einzuhalten, Energie beim Betrieb von Maschinen einzusparen oder größere Dimensionen bei Konstruktionen zu erreichen. Bisher wurde bei Leichtbau zuerst an die Verwendung von Kunststoff, GFK, CFK oder auch Aluminium als massives Material gedacht. Doch die wenigsten denken an Metallschaum. Durch die zellulare Struktur verspricht dieses Material bei einer sehr geringen Dichte eine relativ hohe Steifigkeit. Trotz intensiver Forschung an diesem Material bestehen nach wie vor große Kenntnislücken. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Ermittlung mechanischer Eigenschaften von faserverstärkten Aluminiumschäumen. Zunächst wurde eine Schäumform konzipiert und umgesetzt, um die benötigten Proben herzustellen. Desweiteren wurden verschiedene Versuche zum Aufschäumverhalten der verwendeten Legierungen durchgeführt, um die Herstellungsparameter zu untersuchen. Weiterhin wurde untersucht, wie sich Glasfasern auf das Aufschäumverhalten auswirken. Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften wurden die hergestellten Proben schließlich Druckversuchen unterzogen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse technischer Möglichkeiten zur Beschleunigung des Resin Transfer Moulding Verfahrens durch Parallelisierung von Teilprozessen. Diesbezüglich liegt das Hauptaugenmerk der Arbeit auf der physischen Separierung der Injektion und der Aushärtung. Im ersten Schritt wird das gesamte Verfahren analysiert und die Grundlagen für eine parallelisierte Prozessführung erarbeitet. Auf Basis des Stands der Technik werden die, der Trennung der Injektion und Aushärtung zu Grunde liegenden, Parameter definiert. Anschließend werden verschiedene Möglichkeiten zur Überführung des imprägnierten Faserhalbzeugs in die Aushärtestation beschrieben. Bestandteil der Arbeit ist zudem die Beurteilung der Transportkonzepte bezüglich ihrer Vor- und Nachteile. Basierend auf einer Bewertung erfolgt die Auswahl geeigneter Transportsysteme für die weiteren Untersuchungen der Arbeit. Den Abschluss der Konzeptionierung bildet eine theoretische Abschätzung der Zykluszeiteinsparung. Im Rahmen der praktischen Untersuchungen werden, basierend auf der Bewertung, zwei Transportkonzepte exemplarisch umgesetzt. Mit den Untersuchungen werden Erkenntnisse über die Funktionstauglichkeit der Konzepte sowie über auftretende prozessbedingte Fehlstellen gewonnen. Zudem werden Strategien zur Minimierung dieser Fehlstellen entwickelt. Des Weiteren erfolgt ein experimenteller Nachweis der Zykluszeiteinsparung. Abschließend werden die einzuhaltenden Rahmenbedingungen für eine Separierung der Injektion und Aushärtung, unter Erhaltung einer hohen Bauteilqualität, definiert und beschrieben.

Photolumineszenz-Messungen erlauben die Bewertung der optoelektronischen Eigenschaften unterschiedlicher Halbleiter, die in Solarzellen Verwendung finden. Insbesondere eignet sich die Methode der zeitaufgelösten Photolumineszenz (engl. Time-Resolved Photoluminescence TRPL), um die Minoritätsladungsträger-Lebensdauern von unter anderen III-V Verbindungshalbleitern zu bestimmen und somit die Rekombinationseigenschaften zu evaluieren. In dieser Arbeit wurde der TRPL Messplatz entscheidend verbessert, um nicht nur die ortsaufgelöste Vermessung von planaren Solarzellstrukturen, sondern auch Ladungsträger-Lebensdauern in Nanodrähten für die Photovoltaik zu untersuchen. Dazu wurde die Ortsauflösung der Apparatur bis nahe an das Beugungslimit verbessert und eine Zeitauflösung im ps Bereich erreicht. Der modifizierte Aufbau ermöglicht die Untersuchung der Rekombinationseigenschaften an unterschiedlich präparierten Nanodrahtstrukturen mit geringen Ladungsträger-Lebensdauern.

Das Korrosionsverhalten des Implantatwerkstoffs Ti6Al4V in Hanks Lösung wurde untersucht. Immersionstests (bis max. 45 Tage) und elektrochemische Tests wurden durchgeführt. Der zeitliche Verlauf des Korrosionspotentials mit der Zeit wurde bestimmt. Die Metallionenfreisetzung wurde durch optische Emissionsspektroskopie im induktiv gekoppelten Plasmas (ICP-OES) gemessen. Licht- und Rasterelektronenmikroskopie wurden zur metallographischen Untersuchung verwendet. Anodische und Tafel Polarisation sowie der Polarisationswiderstand wurden gemessen und die Korrosionsstromdichte berechnet. Referenzbedingungen für die Tests wurden durch Schleifen der Proben mit P600 SiC-Papier erreicht. Die Lösung wurde auf 37˚C und pH 7.4 eingestellt. Eine Beschleunigung der Tests wurde durch Erhöhung der Temperatur (40˚C, Simulation von Fieber) und Absenkung des pH Werts (4.0, Simulation einer Entzündung) erreicht. Die Oberfläche wurde durch Schleifen mit P320 und P120 SiC-Papier, sowie durch Verwendung von Partikeln erhöht. Zudem wurden Mikrorisse durch eine Acrylbeschichtung simuliert. Das Korrosionspotential zeigte, dass sich eine schützende Oxidschicht der Legierung innerhalb der ersten Tage in Lösung ausbildete, was von erhöhter Temperatur und Fluidbewegung begünstigt wurde. Die Schicht blieb etwa drei Wochen intakt; darauf folgen Zyklen von Korrosion und erneuter Passivierung. Die Korrosionsbeständigkeit wurde durch niedrigere pH Werte sowie glattere Oberflächen herabgesetzt. Die Freisetzung von Al-Ionen (ca. 0.020-0.060 mg/l) war etwa um eine Größenordnung höher als die von Ti-Ionen. V-Ionen (ca. 0.005 mg/l) wurden nur bei Experimenten mit Partikeln detektiert, was auf das erhöhte Verhältnis von Metalloberfläche zu Menge der Lösung zurückgeführt wurde. Anodische Polarisationstests zeigten, dass sich die Passivschicht bei geringeren Potentialen bildet, wenn die Probenoberfläche glatter ist und die Lösung einen höheren pH Wert aufweist. Das Breakdown Potential lag bei etwa 1.9 V vs. SHE. Die Korrosionsstromdichte beträgt ca. 5 [my]A/cm 2. Die Ergebnisse der Polarisationsversuche sind aufgrund der großen Streuung der Einzelergebnisse kritisch zu betrachten.

Das Ziel der Masterarbeit ist die Entwicklung eines mikromechanischen Antriebs, der eine Halbkugel aus Edelstahl (Durchmesser 2mm) gesteuert um einen Winkel von ±45˚ gegenüber der Horizontalen um die x- und y-Achse auslenken kann. Dafür werden zwei Funktionsprinzipien für die Übertragung der Bewegung vom Stator zum Rotor untersucht: der Slip-Stick-Antrieb und der Ultraschallantrieb. Beim Slip-Stick-Antrieb rotiert die Halbkugel aufgrund ihrer Massenträgheit und einer Änderung der Normalkraft, welche den Übergang von Gleit- zu Haftreibung ermöglicht. Der Rotor ist stets in Kontakt mit dem Stator, welcher entlang einer Geraden schwingt, die um einen definierten Winkel gegenüber der vertikalen z-Achse geneigt ist. Der Ultraschallantrieb basiert auf einer hochfrequenten Schwingung des Stators in z-Richtung. Dadurch springt der Rotor in vertikaler Richtung. Wenn die Statorbewegung elliptisch ist, wird während des Aufpralls ein Drehmoment auf den Rotor übertragen, der dadurch ausgelenkt wird. Beide Funktionsprinzipien benötigen einen Stator mit drei translatorischen Freiheiten. Daher wird für beide Konzepte das gleiche Design verwendet, welches sich lediglich in den Abmessungen unterscheidet. Der Stator ist außerdem so ausgelegt, dass die Resonanzfrequenzen aller drei Translationsrichtungen identisch sind. Der Stator selbst wird durch vertikale elektrostatische Aktoren angetrieben, sodass SOI-Wafer verwendet werden können. Die Herstellung erfolgt mit typischen Prozessen der Mikrosystemtechnik. Der Stator wird mit einem DRIE-Prozess strukturiert. Dabei entstehen jedoch starke Einkerbungen und Unterätzungen, welche die Steifigkeiten und somit auch die Resonanzfrequenzen signifikant reduziert. Trotz dieser Abweichungen kann bei beiden Konzepten eine Rotation der Halbkugel beobachtet werden. Der Slip-Stick-Aktor erreicht eine Auslenkung des Rotors von ±28,2˚ bei einer guten Genauigkeit bezüglich parasitärer Bewegungen und der stationären Endposition. Beim Ultraschalltrieb konnte hingegen eine maximale Auslenkung von ±35,2˚ bei einer hohen Bewegungsgenauigkeit gemessen werden. Es werden zusätzliche Maßnahmen vorgeschlagen, um beide Konzepte weiter zu verbessern und den Bewegungsbereich weiter zu steigern.