Master-/Diplomarbeiten

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der größenabhängigen Ablenkung luftgetragener Partikel mittels Dielektrophorese in Mikrosystemen. Daraus ergeben sich die Herausforderungen der dielektrophoretischen Krafteinleitung durch eine entworfene Elektrodengeometrie und die Anpassung des fluidischen Systems zur definierten Partikelströmung. Der Fokus liegt zum einen auf der mathematischen bzw. simulativen Modellbildung, zum anderen auf der Konzeption eines Messaufbaus und der Überprüfung des Modells. In der Modellbildung werden die Kraftwirkungen auf die Partikel und deren Relevanz untersucht. Anhand dieses Modells werden Parameterstudien zur Auslegung des Prototyps durchgeführt sowie die Höhe der Eingangsgrößen z.B. Strömungsgeschwindigkeit untersucht. Für den Prototyp ist ein Versuchsaufbau zur Vermessung realisiert, welcher die Erzeugung des Aerosols, die Einbringung in den Prototyp, die messtechnische Erfassung der Partikelablenkung durch Dielektrophorese sowie die Filterung beim Austritt aus dem Prototyp ermöglicht. Die Auswertung der Partikelbewegung erfolgt mittels Fluoreszenzmikroskopie im einseitig transparenten Kanal mit fluoreszierenden Partikeln. Für die Generierung des Aerosols kommt ein eigens entworfener Aerosolerzeuger zum Einsatz. Die Ablenkung der Partikel erfolgt durch ein inhomogenes elektrisches Feld, welches durch Elektroden in der Kanalseitenwand erzeugt wird. Damit konnte gezeigt werden, dass aus einem Aerosol, bestehend aus Partikeln der Größe 1mym und 10mym, bei angelegtem Wechselfeld die größeren Partikel aus der Strömung durch Dielektrophorese im Prototyp gefiltert bzw. zur Abscheidung an der Kanalseitenwand beeinflusst werden. Zeitgleich können die kleineren Partikel diesen Kanal ohne große Beeinflussung durchströmen. Die durchgeführten Messungen bestätigen die Wirksamkeit der in der Simulation entwickelten größenselektiven Aerosol-Filterung. Anhand der durch die Simulation und den Versuchsaufbau ermittelten Einflüsse werden Ansatzpunkte für weitere Untersuchungen der Dielektrophorese in Luft beschrieben.

In dieser Arbeit wurden zwei neue Laborversuche genutzt, um Slurryparameter aus einem Drahtsägeversuch mit den Ergebnissen aus dem Friabilitytest und der tribologischen Untersuchung zu vergleichen mit dem Ziel eine mögliche Korrelation zwischen Produktionsprozess und Laborversuch nachzuweisen. Zusammenfassend lässt sich ableiten, dass der Friatest zur Vorauswahl von SiC-Qualitäten für den Drahtsägeprozess nur bedingt geeignet ist. An drei unterschiedlichen SiC-Sorten Cumi, WM und Shin wurde folgende Übereinstimmung zwischen Labortest und Drahtsägeprozess beobachtet: Je kleiner die Vergrößerung des Span-Werts einer SiC-Probe im Friatest ist, desto besser wird die Qualität der dadurch hergestellten Wafer erwartet. Davon ist Span eine Kennzahl zur Beschreibung der Breite einer Partikelgrößenverteilung. In der Praxis wird dadurch das Kornverhalten bezüglich der Langzeitstabilität bzw. der Wiederverwendbarkeit charakterisiert. Die tribologische Prüftechnik diente in dieser Arbeit zur Untersuchung von Materialabtragmechanismen im Vergleich zum Drahtsägeprozess. Basierend auf dem "rolling - indenting" Modell wurden Einflüsse der Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung und Partikelmorphologie des SiC-Korns auf das Abtragsverhalten untersucht. Die Schneidfähigkeit der Slurry hängt demnach wesentlich von der Partikelgröße des SiC- Korns ab. Mit der Zunahme der Partikelgröße steigt die Schneidfähigkeit der Slurry exponentiell an. Im Ergebnis der tribologischen Untersuchungen wurde aufgezeigt, dass die Oberflächenrauheit auf dem bearbeiteten Silizium durch mehrere Eigenschaften des eingesetzten SiC-Korns beeinflusst wird. Um die Ursache für eine bestimmte Rauheit zu erfahren, müssen die Einflussfaktoren Partikelgröße, Partikelverteilung, Partikelform und chemische Zusammensetzung sowie deren Wechselwirkungen berücksichtigt werden. Zusammenfassend ist einzuschätzen, dass mit Hilfe von Labortests eine Rückkopplung auf den Drahtsägeprozess in Form einer Charakterisierung ausgewählter Merkmale begrenzt möglich ist. Sowohl der Friatest als auch die tribologische Untersuchung sind dazu geeignet, das Slurryverhalten aus der Fertigung im Labormaßstab abzubilden und hinsichtlich konkreter Materialparameter zu bewerten. Es bedarf weiterer Versuche, um die erzielten Ergebnisse statistisch bewerten zu können und die gefundenen Übereinstimmungen zu bestätigen.

Die Miniaturisierung von Pumpen mit beweglichen mechanischen Teilen ist durch Reibungs-, Dämpfungs- und Kapillareffekte sowie Stickingphänomenen insbesondere beim Pumpen von Flüssigkeiten mit hohen Oberflächenspannungen begrenzt. Zur Generierung einer Pumpwirkung kann der Electrowettingeffekt genutzt werden, der das Medium direkt aktuiert. Die Flüssigkeit befindet sich initial im Cassie-Baxter-Zustand. Eine reversible elektrostatische Auslenkung der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche erzeugt den Pumpenhub. Im ersten Teil dieser Masterarbeit wird die Herstellbarkeit einer Pumpkammer durch SU-8 basiertes Bonden untersucht. Der Zweite Teil beschäftigt sich mit den paraelektrischen Eigenschaften von Wasser und deren Bedeutung für das Electrowetting und die Kontaktwinkelsättigung. Um den Übergang zwischen zwei reversiblen Cassie-Baxter-Zuständen zu gewährleisten ist ein Modell entwickelt worden. In diesem Modell wird der Einfluss zusätzlicher Strukturen innerhalb der Pumpstrukturen untersucht. Basierend auf dem Modell wurden Teststrukturen mit einem dafür entworfenen Technologiekonzept erzeugt. Mit experimentellen Untersuchungen der Teststrukturen wurde die Gültigkeit des Modells verifiziert. Abschließend werden mögliche Einsatzgebiete der Electrowetting-basierten Mikropumpe und deren Grenzen aufgezeigt.

Faserverstärkte Bauteile werden im Flugzeugbau schon seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Mit steigender Anzahl faserverstärkter Komponenten müssen daher Fertigungsverfahren entwickelt werden, die dieser sich ständig erhöhenden Nachfrage gerecht werden können. Die momentane Produktion bei Airbus erfolgt zu einem großen Teil durch Prepreg-Halbzeuge, die durch die Vorimprägnierung jedoch gekühlt gelagert werden müssen und auch bei der Aushärtung im Autoklaven hohe Kosten erzeugen. Eine Lösung ist daher die Produktion durch Vakuuminfusion. Hierbei werden Trockenfasern mit Hilfe einer Druckdifferenz zwischen Infusionsaufbau und Umwelt mit Harz getränkt. Um den Prozess robuster und damit störungsresistenter zu gestalten, wird die Vakuuminfusion weiterentwickelt. Diese Masterarbeit befasst sich mit der Tränkung von Trockenfasern über eine sogenannte integrierte Fließhilfe. Dabei handelt es sich um in die Werkzeugoberfläche eingebrachte Fließkanäle, die den Harztransport gewährleisten sollen. In praktischen Versuchen werden Fließgeschwindigkeiten verschiedener Faserhalbzeuge und Laminatdicken untersucht und auf weitere Versuchsaufbauten übertragen, die die Imprägnierung von Versteifungsprofilen verifizieren. Um den vom standardmäßig verwendeten Infusionsaufbau abweichenden Prozess beurteilen zu können, werden abschließend Schliffbilder angefertigt, um die Laminatqualität der hergestellten Bauteile zu überprüfen. Da das Verfahren auch für aerodynamische Außenflächen zum Einsatz kommen soll, wird in einem Lackierversuch der Aufwand beurteilt, der nötig ist, um die erzeugten Bauteiloberflächen vorzubereiten und anschließend zu lackieren.

Bei der Kunststoffherstellung kommen Extruder zum Einsatz deren wesentliche Bestandteile ein Zylinder und eine darin befindliche, drehbare Schnecke sind. Für die Dimensionierung der Schnecke werden verschiedene Berechnungsmodelle verwendet, mit denen sich Kennwerte zur Beurteilung der Extruder-Eigenschaften bestimmen lassen. Das im Folgenden betrachtete Modell stellt eine Reihe von vereinfachenden Gleichungen zur Berechnung von Kennwerten, für die grundlegende Schneckengeometrie, zur Verfügung. Basierend auf diesen Gleichungen wurde ein Matlab-Programm erstellt, welches unter der Vorgabe von Eingangsparametern, die Kennwerte berechnet, anzeigt und teils grafisch darstellt. Desweiteren enthält das Programm auch eine Optimierungsfunktion für ausgewählte Parameter, welche im Anschluss an die Berechnung verwendet werden kann. Das Ziel der Optimierung ist die Bestimmung von günstigen Werten für die Optimierungsparameter, unter der Vorgabe eines minimalen Energiebedarfs. Die Ergebnisse der Optimierung lassen sich ebenfalls wertmäßig und graphisch darstellen.