Verbesserte thermische Prozessführung beim RTM Verfahren durch umsteuerbare Werkzeugtemperaturführung. - 179 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse verschiedener Möglichkeiten der Temperaturführung in RTM-Werkzeugen, mit denen eine verbesserte thermische Prozessführung erreicht wird. Die Arbeit enthält die Konzipierung und Umsetzung eines Versuchswerkzeuges zur Herstellung von plattenförmigen Faserverbundbauteilen. Mit dem Versuchswerkzeug werden Erkenntnisse über die thermischen Vorgänge am RTM-Werkzeug gewonnen. Die zugrundeliegenden Parameter, wie etwa Werkzeugaufbau oder Werkstoffeigenschaften werden verständlich. Beim Entwurf der Werkzeugtemperaturführung werden herstellungs- und sicherheitstechnische, aber vor allem prozess- und materialtechnische Aspekte berücksichtigt. Vor der Umsetzung des Versuchswerkzeuges wird der RTM-Prozess thermisch analysiert. Auf dieser Basis werden physikalische Prinzipe zur Umsetzung der Werkzeugtemperaturführung untersucht. Besondere Rücksicht gilt der hohen Dynamik der Temperaturführung. Es werden Möglichkeiten zur Umsetzung eines Temperierkonzeptes generiert. Das finale Temperierkonzept wird mit einem 3D-CAD Programm als Geometriemodell erzeugt. Mit diesem werden Simulationsrechnungen des thermischen Verhaltens des Versuchswerkzeuges durchgeführt. Im Anschluss daran wird das Werkzeug gefertigt. Am fertigen Versuchswerkzeug werden Temperaturverlaufsmessungen durchgeführt. Diese dienen der Überprüfung der, in der Simulation, ermittelten Heiz- und Kühlraten und der Erprobung des Konzeptes. Durch den Vergleich von Simulation und Messung wird die Berechenbarkeit der Temperaturverteilung überprüft. Die Dokumentationsunterlagen der Arbeit beinhalten Messergebnisse, Simulationsergebnisse und Umsetzungsvorschläge für das Temperierkonzept bei Freiformflächen. Es werden Probleme und Erkenntnisse aufgezeigt, die bei der Anfertigung der Arbeit entstanden sind und Anregungen für das weitere Vorgehen gegeben. In der Arbeit wird außerdem je ein analytisches Modell für den Heiz- und Kühlvorgang gegeben. Die Genauigkeit dieser Modelle wird anhand der Simulationsrechnungen und Messungen überprüft. Die Herstellung von Versuchsbauteilen zeigt, dass mittels geeigneter Temperaturführung eine Prozessbeschleunigung möglich ist.
Einzelpartikelerfassung mittels induzierten elektrischen Entladungen in Mikrokanälen. - 51 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Als Teil des Projektes INTASENSE, welches ein miniaturisiertes System zur Kontrolle der Luftqualität zum Ziel hat, ist es Aufgabe der TU Ilmenau, einen Partikelsensor zur Detektion von Feinstaub (Durchmesser der Partikel 1 mym-10 mym) zu entwerfen. In der vorliegenden Arbeit wird zu diesem Zweck die Möglichkeit der Partikeldetektion mittels elektrischer Entladungen untersucht. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen kann ein solcher Sensor konzipiert und optimiert werden.
Untersuchung zerspanender Verfahren beim automobilen Einsatz faserverstärkter Kunststoffe. - 146 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Faserverbundkunststoffe verfügen über ein großes Potential für den Leichtbau von Automobilen. Bei ihrer Bearbeitung stellen sie jedoch hohe Ansprüche an die Auswahl der Prozesseingangsgrößen. Daher wird in der vorliegenden Arbeit der Einfluss der Schnittparameter sowie der Werkzeug- und Werkstoffauswahl auf die Emissionen, Werkzeugverschleiß sowie Qualitätsmerkmale bei der Fräsbearbeitung von FVK-Werkstoffen untersucht. Hierbei wurden Erkenntnisse über die maximale Massenkonzentration und das Sedimentierungsverhalten der Partikel sowie Spangeometrie, Schneidkantenverschleiß, Delaminationen und Faserausfransungen gewonnen, die während eines Fräsprozesses entstehen können. Mit Hilfe von Parameterstudien konnten die Abhängigkeiten von Prozesseingangsgrößen (Schnittparameter, Werkzeuggeomitrie, Kühlung) und Prozessausgangsgrößen (Emissionen, Werkzeugverschleiß, Kantenqualität) nachgewiesen werden. Im Rahmen der Messungen wurden ingenieurgerechte Kennwerte abgeleitet, die die Zusammenhänge zwischen Eingangsparametern und Ausgangsparametern aufzeigen. Neben dem Zerspanverhalten in Abhängigkeit der Prozessparameterkombinationen, wurden die Einflüsse der Werkstoffeigenschaften auf die Ergebnisgrößen analysiert und eine Vergleichbarkeit der Werkstoffe hinsichtlich ihrer Zerspanbarkeit dargestellt. Für die Bearbeitung zukünftiger Bauteile konnten hieraus geeignete Werkstoff- und Prozessparameterempfehlungen ableitet werden.
Untersuchung der Nanoxerografie und deren Depositionsbedingungen unter Verwendung einer metallischen Nanopartielquelle. - 78 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
In der heutigen Forschung und Entwicklung existieren zwei wesentliche Ansätze. Auf der einen Seite werden neue Methoden zur elektrischen Energiegewinnung untersucht. Der andere Zweig ist interessiert daran, neue Depositions- und Analysemethoden im Bereich der Materialwissenschaften zu ergründen. Die neuen Depositionsmethoden sollten stets im Einklang zu unserer Umwelt stehen und demnach auch ressourcenbewusst sein. Deshalb forschen Wissenschaftler auf dem Gebiet des Self-assembly und der Selbstorganisation, welche dem Bottom-up-Prinzip folgen. Mit Hilfe dieses Konzepts sollte ist es möglich, 3D Strukturen von der Nano- bis zur Mikro- und Makrogröße herzustellen. Das Thema dieser Abhandlung ist die metallische Nanoxerographie. In der Vergangenheit wurde die Nanoxerographie bereits genutzt um Partikel in geladenen Bereichen bei einer limitierenden Auflösung zu deponieren. Diese Methode war neu, jedoch in ihren Spezifikationen noch nicht gut definiert. Aktuell liegt das Bestreben nun darin, Konzepte und Fertigungsansätze zu entwicklen, sodass mit dieser Methode auch Bauelemente hergestellt werden können. Die nachfolgende Arbeit erklärt zunächst die Grundlagen der plasmagestützen Erzeugung von metallischen Nanopartikeln. Anschließend wird die lokalisierte Deposition dieser Partikel in einen Reaktor bei Atmosphärendruck untersucht. Die Auswertung der folgenden Experimente erläutern den Zusammenhang der Einflussgrößen auf das kinetische Wachstumsregime. In diesen Versuchen werden hauptsächlich der Gasfluss und der Einfluss des elektrischen Feldes betrachtet. Am Ende werden mögliche Bauelemente und Anwendungskonzepte, welche durch Nanoxerographie hergestellt werden könnten, diskutiert.
Untersuchung der Eigenschaften nanoskaliger Nadelkristalle auf 3D-Matrizen. - 153 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Beschichtete Siliziumgrasoberflächen haben in der Mikrosystemtechnik aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten stark an Bedeutung gewonnen. Jedoch sind die Eigenschaften solcher Schichten noch nicht vollständig erforscht. Diese Arbeit geht zunächst auf verschiedene Methoden der Herstellung von Siliziumgras, insbesondere den DRIE-Prozess ein und zeigt den aktuellen Stand der Forschung hinsichtlich Erzeugung, Beschichtung, Eigenschaften und Anwendung solcher Strukturen. Für die Realisierung einer gezielten Anpassung der Geometrie der Siliziumnadeln, werden die Einflüsse ausgewählter Parameter des DRIE-Prozesses, sowie die Einführung eines Parameterrampings näher untersucht. Für viele Anwendungen von Siliziumgras ist eine Beschichtung der Wafer mit Metall notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Aufdampfcharakteristik von Titan, Platin und Gold auf Siliziumgras theoretisch und experimentell untersucht. Hierbei wird insbesondere der Einfluss einer Substrattemperierung während des Abdampfens näher beleuchtet. Von besonderem Interesse sind die optischen und elektrischen Eigenschaften von beschichtetem Siliziumgras. Für die optische Charakterisierung erfolgt die Ermittlung der spektralen Reflexions-, Transmissions- und Absorptionswerte der verschiedenen Proben. Hierbei konnte unter anderem für platinbeschichtetes Siliziumgras eine Absorption von mehr als 97 % im ultravioletten, sichtbaren sowie infraroten Wellenlängenbereich erreicht werden. Im Rahmen der elektrischen Charakterisierung wird der Widerstand von titanbeschichtetem Siliziumgras sowohl horizontal als auch vertikal über die Siliziumnadeln hinweg ermittelt. Hierfür werden verschiedene Möglichkeiten zur Kontaktierung der Nadeln aufgezeigt. Es konnte eine starke Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Titanschichtdicke festgestellt werden. Zudem erfolgt die Betrachtung einer Oxidation der aufgedampften Titankristalle auf die elektrischen Eigenschaften, wobei eine starke Änderung des elektrischen Widerstandes in Bezug auf die Oxidationstemperatur ermittelt wurde. Des Weiteren werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von beschichtetem Siliziumgras aufgezeigt und Möglichkeiten für weiterführende Forschungsarbeit auf diesem Themengebiet erläutert.
Design, Fertigung und Charakterisierung eines Mikrosystems zur Speicherung mechanischer Energie. - 218 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Es wird ein mikromechanischer Federenergiespeicher entworfen und gefertigt. Von wesentlichen Systemkomponenten werden unterschiedliche Varianten gesucht, bewertet und zu realisierende ausgewählt. Diese sind: Eine Spiralfeder als Energie speichernde Feder, eine Rücklaufsperre, die das Prinzip des Formschluss verwendet und mit einem elektrostatischen Aktor gelöst werden kann, eine monolithisch integrierte träge Masse und ein piezoelektrischer Wandler zur Umsetzung der mechanischen Federenergie in elektrische Energie. Die Dynamik des Systems und für die Auslegung relevante Systemteile werden mathematisch modelliert. Das dynamische Modell wird zusätzlich als Simulationsmodell in der Sprache Maxima implementiert. Damit werden Experimente zum Systemverhalten und zum Einfluss bestimmter Systemparameter auf die Dynamik durchgeführt. Für den Systementwurf wird ein Fertigungsplan erstellt, der alle Komponenten bis auf den Wandler enthält. Das System wird im Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien gefertigt. Zur Demonstration der Funktionstüchtigkeit wird ein Prüfstand entworfen und gefertigt, mit dem der Federenergiespeicher über eine externe Beschleunigung geladen werden kann. Die Funktionstüchtigkeit kann nicht nachgewiesen werden.
Herstellung transparenter, isolierender und leitfähiger Schichten mittels Atomlagenabscheidung auf 3D nanostrukturierten Oberflächen. - 93 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Die technische Realisierung innovativer Silizium-Nanodraht- (engl. "Silicon Nanowire", SiNW) Solarzellenkonzepte setzt aufgrund des hohen Aspektverhältnisses von dreidimensional strukturierten Oberflächen sehr präzise und verlässliche Technologien zur Schichterzeugung voraus. Die Technik der Atomlagenabscheidung (engl. "Atomic Layer Deposition", ALD) bietet eine Möglichkeit, homogene und reproduzierbare Schichten auf Nanostrukturen zu erzeugen. Ihr selbstbegrenzender Reaktionsmechanismus ermöglicht eine akkurate Schichtdickenkontrolle auf atomarer Ebene und eignet sich damit perfekt für die Herstellung dünnster Schichten im einstelligen Nanometerbereich. Für eine SiNW-Solarzelle kann das Halbleiter-Isolator-Halbleiter- (engl.: "Semiconductor-Insulator-Semiconductor", SIS) Konzept verwendet werden, welches in dieser Arbeit mit Aluminiumoxid (Al2O3) als Tunnelbarriere zwischen den Halbleitermaterialien aluminiumdotiertes Zinkoxid (AZO) und Silizium realisiert wird. Die Al2O3- und AZO-Schichten werden dabei mittels ALD hergestellt. Während für die Al2O3-Schichten eine Schichtdickenkontrolle auf atomarer Ebene wichtig ist, müssen die AZO-Schichten gleichzeitig sehr gut leitfähig sein und eine hohe Transmission aufweisen. Im Rahmen dieser Arbeit konnten die ALD-Prozesszeiten für Al2O3- und Zinkoxid (ZnO)- Schichten auf bis zu 55% im Vergleich zu den Angaben des Anlagenherstellers reduziert und die mittlere Abweichung der Schichtdicke über die maximal mögliche Probenfläche auf unter 1% reduziert werden. Unterschiedliche Aluminiumkonzentrationen in den AZO-Schichten konnten durch eine Kombination des Al2O3- und des ZnO-Prozesses erzeugt und mithilfe von Glimmentladungs-Massenspektrometrie (engl. "Glow Discharge Massspectrometry", GD-MS) genau bestimmt werden. So konnte gezeigt werden, dass über die ALD-Prozessführung die Al-Konzentration in AZO-Schichten im Bereich von 0,27 at% bis 3,37 at% präzise eingestellt werden kann. Die elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Al-Konzentration wurden mit Van-der-Pauw-Messungen bestimmt. Die Proben mit einem Al-Anteil zwischen 1,50 at% und 1,84 at% zeigten dabei die höchste elektrische Leitfähigkeit mit Werten zwischen 319 S/cm und 442 S/cm. Die optische Transmission der Schichten auf Glassubstraten wurde mit einem Spektrophotometer untersucht. Für alle AZO-Proben lag die Transmission in einem Wellenlängenbereich von 390 1200 nm über 79%. Messungen der Oberflächenmorphologie mit einem Rasterkraft- und einem Rasterelektronenmikroskops (engl. "Atomic Force Microscopy", AFM und "Scanning Electron Microscopy", SEM) zeigten, dass die Rauigkeit der Schichten mit steigendem Al-Anteil abnimmt. Abschließend konnte bewiesen werden, dass eine homogene Beschichtung dreidimensionaler Nanostrukturen mit den in der Arbeit entwickelten isolierenden Al2O3- und transparenten, leitfähigen AZO-Schichten möglich ist.
Werkstoffgerechte Konstruktion eines Leichbaufahrzeugbodens. - 98 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
In dieser Masterarbeit wird eine Fahrzeugbodengruppe aus faserverstärktem Kunststoff für den Einsatz in einem Wohnmobil konstruiert. Hierfür wird zunächst die Werkstoffwahl spezifiziert und die zu erfüllenden Anforderungen analysiert und festgelegt. Dabei werden die mechanischen Anforderungen an den Werkstoff und der Konstruktion unter anderem durch eine Belastungssimulation des Tragsystems, wie es bisher in Wohnmobilen zum Einsatz kommt, erarbeitet. Weiterhin werden Anforderungen aus den für eine Fertigung und Gestaltung notwendigen Aspekten einer werkstoffgerechten Konstruktion und den Bedingungen an eine "Typgenehmigung für Fahrzeuge" durch das Kraftfahrzeugbundesamt entwickelt. Anschließend wird anhand der festgelegten Anforderungen ein Grundmodell als Ausgangspunkt für Belastungssimulationen mit einer Finite-Elemente-Software geschaffen und daraus die Belastungsverhältnisse in der Fahrzeugbodengruppe erarbeitet. Aufgrund dieser Vorgehensweise entsteht schließlich ein in der Konstruktion und im Lagenaufbau optimiertes Modell einer Fahrzeugbodengruppe für Wohnmobile. Den Schluss bildet das Fertigen eines realen, maßstabsgerechten Modells aus faserverstärktem Kunststoff.
Erzeugung von Saatschichten mittels Laserbestrahlung dünner Metallfolien und deren Modellierung. - 157 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2013
Kristalline Silizium-Solarzellen haben den mit Abstand größten Marktanteil in der Photovoltaik. In ihrer Herstellung hat sich das Siebdrucken silberhaltiger Pasten zur Vorderseitenmetallisierung etabliert. In der vorliegenden Arbeit wurde ein alternativer Ansatz betrachtet, der die Chance bietet, kostengünstig und effizient zu sein. Hierzu wurde eine dünne Folie auf den Wafer aufgelegt. Die Laserbestrahlung der Metallfolie soll zu einem lokalen Durchschmelzen der Folie führen. Der sich dabei lokal ausbildende mechanische und elektrische Kontakt mit dem Emitter der Solarzelle dient als Saatschicht im Rahmen eines zweistufigen Metallisierungsprozesses. Hierzu fanden ein NdYAG-Laser mit Pulszeiten im Bereich von 100 bis 620 Nanosekunden und ein Faserlaser mit Pulszeiten im Bereich von 20 bis 1000 Mikrosekunden als Laserquellen im nahen Infrarot Verwendung. Im Experiment wurden dünne Metallfolien aus Aluminium, Nickel und Silber untersucht. Die entstandenen Strukturen wurden im Lichtmikroskop, im Rasterelektronenmikroskop und mittels der EDX-Analyse untersucht und hinsichtlich ihrer Eignung als Saatschicht bewertet. Es gelang, die Metallfolie bis zur Unterseite aufzuschmelzen und es konnten auch Kontakte zum Silizium erzeugt werden. Die aufgeschmolzene Metallfolie muss zur Kontaktierung des Emitters die Antireflexschicht aus Siliziumnitrid auf der Waferoberfläche überwinden. Während der Laserprozesse konnte ein thermisch bedingtes Abheben der Folie beobachtet werden, dass die Prozessführung nachteilig beeinflusste und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erschwerte. Um ein besseres Verständnis für den Prozess des Aufschmelzens der Metallfolie zu entwickeln, wurde die Ausbreitung der Wärme sowie der Phasenübergang in der Folie anhand verschiedener Modelle numerisch simuliert. Dabei konnten gewonnene experimentelle Ergebnisse bestätigt werden. Insbesondere der Einfluss des Abhebens der Folie konnte sowohl experimentell als auch durch die Simulation eines geeigneten Modellsystems bestätigt werden. Mit Hilfe der Simulation konnte gezeigt werden, dass das Erreichen der hohen Sublimationstemperatur auf der Unterseite der Folie in der Schmelze ein den Prozess erschwerendes Hindernis für die Kontaktausbildung mit dem Wafer ist. Abschließend kann festgestellt werden, dass in der Entwicklung dieses Metallisierungsansatzes noch einige technologische Hürden zu überwinden sind.
Resonatoren aus Gruppe III-Nitriden und ihren Mischkristallen. - 120 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Für die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von GaN und AlN sowie ihren Mischkristallen wurden Mikroelektromechanische Strukturen in Form von einseitig und zweiseitig eingespannten Balken verwendet. Dazu war es notwendig eine adäquate theoretische Beschreibung der Resonanzfrequenzen zu entwickeln und insbesondere den Verspannungszustand durch unabhängige Messungen zu verifizieren. Die Euler-Bernoulli-Theorie wurde eingeführt und unter Berücksichtigung der Dehnung nach Bouwstra et al. [33] sowie der Krümmung nach Petyt et al. [67] für die jeweiligen Balken erweitert. Im Falle der SiC-Cantilever musste zusätzlich die Unterätzung in der Theorie berücksichtigt werden. Über diese Erweiterungen konnte zugleich die Dehnung der zweiseitig eingespannten Balken in Abhängigkeit ihrer Länge bestimmt werden. Zur Anpassung an das vorliegende Schichtsystem wurden die Parameter Dichte, Querschnittsfläche, Elastizitätsmodul und Flächenträgheitsmoment bestimmt und gewichtet. Die Bestimmung der Dichte erfolgte dabei mittels Röntgenbeugung. Die geometrischen Parameter für die Querschnittsfläche und zur Berechnung des Flächenträgheitsmoments wurden aus REMAufnahmen ermittelt. Die Gewichtung des Flächenträgheitsmoments und die Lage der neutralen Faser ergaben sich schließlich aus einem selbstkonsistenten Fit an die Messdaten. Die Moduli von GaN und AlN sowie ihrer Mischkristalle wurden bestimmt. Die erzielten Ergebnisse ordnen sich in den allgemeinen Trend der Abhängigkeit des Moduls von der Schichtdicke und der Zusammensetzung ein. Anhand von Raman-Messungen wurde eine Abhängigkeit des Phononendeformationspotentials von der Realstruktur der Epitaxieschichten der Gruppe III-Nitride und ihrer Mischkristalle festgestellt. Die Spannungsverteilungen konnten als Parameter der Balkenlänge ermittelt werden. Die Raman-Verschiebung wies eine durch die Einspannung induzierte, relaxierende Verspannung entlang der Balken auf. Messungen über die Balkenbreite zeigten ein nahezu symmetrisches Spannungsprofil für spezifische Raman-Übergänge. Anhand von Simulationen wurden die Einflüsse der realen Struktur untersucht, die in der Theorie keine Berücksichtigung fanden. Dabei zeigte sich eine nominelle Versteifung des Balkens durch die Cluster/Inseln an der Unterseite der SiC-Balken, die jedoch aufgrund der geringen Änderung der Eigenfrequenz und im Vergleich zur Streuung der Messwerte vernachlässigbar ist. Es konnte der Einfluss der Cantileverbreite sowie der Unterätzung an der Einspannung auf die Eigenfrequenz dargelegt werden. Dabei ergab sich eine Erhöhung der Eigenfrequenz mit steigender Breite und eine exponentielle Abnahme dieser bei steigender Unterätztiefe. Die Simulationen zeigten zugleich die Grenzen der Euler-Bernoulli-Theorie auf. Das Länge-zu-Breiten-Verhältnis der Cantilever muss entsprechend groß gewählt werden, damit sie Gültigkeit besitzt. Für weitergehende Untersuchungen ist es ratsam, die Kirchhoffsche Plattentheorie zu verwenden.