Herstellung eines Freistrahlinterferometers mittels DRIE in fused silica. - 99 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Für die Realisierung von mikrooptischen Interferometern wird meistens auf hybride Systeme zurückgegriffen. Dabei erweist sich die Justierung durch immer kleinere Abmessungen als schwierig und zeitaufwändig. Die Herstellung als integriertes mikrooptisches System ermöglicht eine schnelle Inbetriebnahme und hohe Reproduzierbarkeit. In dieser Arbeit werden integrierte Freistrahlinterferometer in fused silica entwickelt, die diese Eigenschaften erfüllen sollen. Ausgehend von den technologischen Randbedingungen werden verschiedene Designvarianten von Freistrahlinterferometern entwickelt, die sich in der Art der Strahlteilung, den geometrischen Abmessungen und den Grad der Integration unterscheiden. Dazu werden geometrische Modelle erstellt und das Signal- und Dämpfungsverhalten analysiert. Des Weiteren werden Grenzen für die Auswertung ermittelt und Anforderungen an den Herstellungsprozess definiert. Für die Herstellung werden vorhandene Prozessschritte analysiert und optimiert, um mikrooptische Strukturen hoher Qualität zu erzeugen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Optimierung des Glasätzprozesses hin zu geringeren Rauheiten der Flanken und somit besserer optischer Güte. Dabei wurden unterschiedliche HF-Leistungen auf ihren Einfluss untersucht. Das Ergebnis sind nahezu senkrechte Kanten mit über 100 mym Höhe und mittlere Rauheiten mit weniger als 8 nm. Für die Verspiegelung von Funktionsflächen sind diese Kanten optisch dicht mit Aluminium zu beschichten. Voraussetzung dafür ist das Aufbringen einer Maske, die über die gesamte Höhe der geätzten Strukturen die Seitenflächen bedeckt und gewünschte Bereiche freilegt. Dazu werden Versuchsreihen für Sprühbelackungen mit dem Photoresist AZ nLof 2070 durchgeführt, die den Einfluss der Lackzusammensetzung, der Belichtungsdosis, den Proximityabstand und weiteren Parametern untersuchen. Das Ergebnis daraus und der nachfolgenden Metallisierung sind optisch dichte Verspiegelungen von senkrechten Kanten großer Höhe. Die hergestellten Freistrahlinterferometer werden in einem Demonstratoraufbau auf ihre Funktionsfähigkeit und Kenngrößen untersucht und Einflüsse auf die Messgenauigkeit dargestellt. Des Weiteren werden Verbesserungsvorschläge für eine weitere Verringerung des Justageaufwands und Verbesserung der Auswertbarkeit von mikrooptischen Systemen aufgezeigt.
Grundlagenuntersuchung der Wälzlagerdiagnose und Wälzlagerschmierung am Einzelkomponentenprüfstand . - 76 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Diese Arbeit beschäftigt sich mit Körperschalluntersuchungen an Wälzlagern. Dazu wurde eine Recherche bezüglich Schwingungsmessung und Signalanalyse durchgeführt. In einem Dynamischen Lagerprüfstand wurde unter konstanten sowie dynamischen Drehzahlen Körperschall von Wälzlagern aufgenommen. Die Wälzlager wurden zuvor an Innen- und Außenring definiert geschädigt, mit dem Ziel, die Schäden durch Körperschallmessung zu identifizieren. Mit den gewonnenen Erkenntnissen der Recherche wurden verschiedene Analyseverfahren durchgeführt. Durch eine Auswertung in Form von Campbelldiagrammen und Hüllkurvenspektren wurde eine Fehleranalyse durchgeführt. Außerdem wurde in dieser Arbeit ein Minimalmengenschmiersystem zusammengestellt, um mittels Körperschall Schmierzustände von Wälzlager bewerten zu können.
Elektrochemische Herstellung und Charakterisierung von Zink-Titandioxid-Dispersionsschichten. - 133 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Die Thematik der Zink-Titandioxid-Dispersionscoabscheidung wurde anhand von drei verschiedenen Elektrolyttypen untersucht: einen sauren Sulfatelektrolyten, einen alkalischen Pyrophosphatelektrolyten und einem Zink-Nickelelektrolyten auf Sulfatbasis. Durch Variation der Elektrolytzusammensetzung konnte ein signifikanter Einbau von Titannanopartikeln erreicht werden. Die Zusammensetzung der Abscheidungen wurde mit Glimmentladungsspektroskopie und Röntgenfluoreszenzanalyse bestimmt. Weiterhin erfolgte eine Charakterisierung der Schicht mittels Röntgenbeugung und Elektronenmikroskopie. Aus den Ergebnissen der Untersuchung ein Modell zum Einbau des Titandioxids in Zink erarbeitet. Zusätzlich wurde das Korrosionsverhalten ausgewählter Dispersionsschichten untersucht.
Characterization of the interfacial strength between the metal-matrix composites and ceramics insulators. - 79 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
In der Arbeit wurden die mechanischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen Aluminiumoxid (Al2O3) und einem Metall-Matrix-Komposit (MMC) untersucht indem sie einer zyklischen Wärmebehandlung und mechanischen Tests unterzogen wurden. Hergestellt wurden diese durch Infiltrieren von porösen Aluminiumoxid in eine Vorform mit geschmolzenem Kupfer und verbunden durch Hartlöten. Eines der Ziele diese Arbeit war die Feststellung, ob diese Grenzfläche eine kritische Auswirkung auf die Lebensdauer des Leistungselektronikbauteils hat. Aus diesem Grund wurde ein neues Prüfverfahren entwickelt um diese zu charakterisieren. Um die thermomechanische Spannungen, denen die Substrate der Leistungselektronikmodule während des Betriebs ausgesetzt sind zu simulieren wurden sie eine zyklische Wärmebehandlung bei den Proben durchgeführt. Für eine unterschiedliche Anzahl an Zyklen wurde der Zustand der Bauteile mittels Ultraschall-Mikroskopie und Überwachung der Veränderung ihres Wärmewiderstandes. Ultraschall-Mikroskopie ergab dass nach 500 Wärmezyklen keine Ausbreitung oder Wachstum von Defekten an Grenzfläche zwischen Aluminiumoxid und MMC auftrat. Dies trat jedoch zwischen dem Kupfer und dem Al2O3 Die Ultraschall-Analyse zeigte zudem dass der Hartlötprozess im Aluminiumoxid Defekte generierte, die zu Beschädigungen der elektrischen Isolation zwischen der Kupferschicht und MMC führen können. Nach 500 Zyklen zeigte sich keine Rissfortpflanzung durch die thermomechanischen Spannungen. Keine Anzeichen für Muschelbruch waren festzustellen. Auswertung der Messwerte der thermischen Impedanz (Zth) nach 200 Zyklen zeigte, dass bei den MMC-Testvehikel eine starke Streuung (3% bis 99%) im Anstieg der thermischen Impedanz auftrat. Nach Analyse des Querschnittes einer Probe mit hohem Zth-Anstieg wurde ein Riss in der Aluminiumoxidschicht, ähnlich eine Muschelbruchs, als Grund für den starken Anstieg des Wärmewiderstandes identifiziert. In der Grenzfläche zwischen Al2O3 und MMC, wurden dabei jedoch keine Defekte festgestellt. Eine Anwesenheit von Rissen in der Aluminiumoxidschicht in manchen Proben, ausgelöst durch Kratzen der Al2O3-Schicht um einen eventuellen Kurzschluss beim Hartlöten zu entfernen, wurde im Nachhinein festgestellt, obwohl diese bei der vorherigen Ultraschall-Mikroskopie-Analyse nicht auftraten. Bei ausschließlicher Betrachtung der Proben mit geringem Zth-Anstieg wurden ähnliche Ergebnisse wie mit den DBC-Substraten nach 200 Zyklen festgestellt. Zwei verschiedenen mechanischen Prüfverfahren zur Charakterisierung der Grenzflächenfestigkeit würden durchgeführt. Ein Vier-Punkt-Biegeversuch angekerbten Proben wurden angewandt, um die Energiefreisetzungsrate bei Delamination der Grenzfläche zu berechnen. Eine Delamination konnte im Versuch nicht erzeugt werden. Die Analyse de Mechanismen des Rissfortschritts legte nahe das bei Erreichen der Grenzfläche der Riss entlang dieser im Al2O3 fortschreitet. Ursache dafür ist die hohe Festigkeit der Grenzfläche, ausreichend um eine Delaminierung zu verhindern, daher ist die Grenzfläche nicht kritisch für den Rissfortschritt. Ein Scherversuch zur Ermittlung der Scherfestigkeit wurde durchgeführt. Die Grenzfläche zeigte eine Scherfestigkeit von mehr als 70 MPa. Höhere Spannungen waren nicht möglich, da ab diesem Wert die Proben zum Brechen neigten. Eine neue Probengeometrie wurde Entworfen um höheren Spannungen zu widerstehen, jedoch war dies zeitlich im Rahmen der Arbeit nicht mehr möglich. In dieser Masterarbeit wurde herausgefunden, dass ein Überschuss an Lot beim Hartlöten das Al2O3 bedeckt und zusätzliche Spannungen erzeugt. Dadurch könnten Risse während des Lötens auftreten. Zusammenfassend ist zu sagen dass die Grenzfläche zwischen Aluminiumoxid und MMC durch die zyklische thermische Belastung nicht kritisch für das Versagen des Bauteils und der Rissausbreitung ist. Um präzisere Aussagen über die Lebensdauer des MMC-Proben unter thermischer Zyklierung zu erhalten wäre es empfehlenswert erneute Messungen der thermischen Impedanz mit neuen MMC-Proben, bein denen ein Überschuss an Lot beim Hartlöten vermeiden wird, sowie eine nachfolgende Ultraschall-Mikroskopie-Analyse zur Einschätzung des Probenzustandes. Zudem sollte der Scherversuche mit neuer Probengeometrie wiederholt werden
Untersuchungen der inneren Spannungen von elektrolytisch erzeugten Zinkschichten. - 138 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2012
Schwerpunkte der Arbeit sind der Vergleich verschiedener Verfahren zur Messung innerer Spannungen in galvanisch abgeschiedenen Nickelschichten aus ausgewählten Nickel-Elektrolyten, die Entwicklung eines schwachsauren Zink-Elektrolyten sowie die Messung innerer Spannungen in schwachsauren und alkalisch-cyanidfreien Zink-Elektrolyten. Ausgangspunkt der Arbeit waren die Ergebnisse von IS-Meter-Messungen in Nickel-Elektrolyten vorangegangener Diplomarbeiten. Es wurden Streifenkontraktometer (Biegestreifenmethode), IS-Meter (Streifendehnungsmethode), röntgenographische Spannungsanalyse und das Makrostressmeter 200 (FEM Schwäbisch Gmünd) hinsichtlich der mit diesen Methoden gemessenen inneren Spannungen verglichen. Zusätzlich erfolgten Untersuchungen der Schichtdickenverteilung auf den verschiedenen Substraten und zum Einfluss von Hilfselektroden auf die Schichtdickenverteilung beim IS-Meter und Streifenkontraktometer. Vor- und Nachteile der Methoden wurden gegenübergestellt. Die Messung innerer Spannungen in Zinkschichten erfolgte in kommerziellen und in je einem im Vorfeld entwickelten schwachsauren und alkalisch-cyanidfreien Zink-Elektrolyten.
Untersuchung des Einflusses von magnetischen Feldgradientenkräften auf die Verteilung paramagnetischer Ionen in Modellglasschmelzen bei Flussdichten B > 1 T. - 156 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2012
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses magnetischer Feldgradientenkräfte auf die Verteilung paramagnetischer Ionen in Modellglasschmelzen bei Flussdichten von B > 1 T. Sie findet im Rahmen des DFG geförderten Projektes "Manipulation von Ionenverteilungen in Glasschmelzen mittels magnetischer Feldkräfte - Experiment und Simulation" (HA 2338/4-1) statt. Als Modellglas wurde eine Glasschmelze aus dem System BaO-B2 O3 -Fe2O3 mit einer Sollzusammensetzung von 40 mol-% BaO, 33 mol-% B2O3 und 23 mol-% Fe2O3 benutzt. Dazu wurden auf Basis des in der Fachliteratur bekannten Phasendiagramms die Kristallisation und ausgehend von grundlegenden Betrachtungen zum Magnetismus die darauf wirkenden Kraftdichten abgeschätzt, wobei hierfür Theorien der Festkörperphysik zu Grunde liegen. Weiterhin wurden Tiegelschmelzexperimente bei 1350˚C mit der vorgeschmolzenen Modellglasschmelze mit einem Rohrofen an verschiedenen Positionen in einem 5T kryogenfreien Magnetsystem der Firma Cryogenics Ltd. durchgeführt, welches ein magnetisches Gleichfeld von bis zu 5 T und die entsprechenden magnetischen Feldgradienten erzeugt. Zum Vergleich wurde ein Experiment ohne äußeren magnetischen Feldeinfluss durchgeführt. Ein weiteres Experiment wurde mit einer maximalen magnetischen Feldgradientenkraftdichte des Magnetsystems von ca. 60 N/cm3 entgegen der Schwerkraft und ein letztes mit einer magnetischen Feldgradientenkraftdichte des Magnetsystems von ca. 55 N/cm3, die entgegen der Schwerkraft wirkt, vorgenommen. Die Positionierung erfolgte axial im Magnetsystem. Aus den erstarrten Schmelzen wurden örtlich definiert Proben entnommen und daran Untersuchungen zur Dichte, den magnetischen Eigenschaften (VSM) sowie zur Phasenanalyse (XRD) und den chemischen Eigenschaften (RFA, Cerimetrie, ICP-OES) vorgenommen, um etwaige Veränderungen der Verteilung der paramagnetischen Ionen (Fe2+ und Fe3+) in der Schmelze unter der Einwirkung der magnetischen Feldgradientenkräfte zu untersuchen. Zusätzlich wurde das Erstarrungsverhalten (STA) der Schmelze untersucht. Hierbei ergaben sich bei der Bestimmung der magnetischen Eigenschaften, der Dichte sowie der Verteilung an Fe2+-Ionen Ergebnisse, die mit der Wirkung der magnetischen Feldgradientenkraft interpretiert werden können. Allerdings wirken bei der Erstarrung der Schmelze viele Einflussfaktoren, die schwer abzuschätzen und zu kontrollieren waren, sodass innerhalb dieser Arbeit nicht geklärt werden konnte, in welchem Maße die magnetische Feldgradientenkraft für die gefundenen Veränderungen verantwortlich ist und ob sie die Ionenverteilung in der Schmelze vor den Phasenbildungen verändert hat oder nur auf die in der Schmelze entstehenden ersten Kristallphasen wirkt. Ein direkter Nachweis bleibt damit Gegenstand der weiteren Forschung.
Vergleich und Synthese unterschiedlicher Verfahren zur Technologiebewertung zu einem ganzheitlichen Modell. - 105 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Industrielle Unternehmen müssen sich zunehmend zwischen einer hohen Zahl von möglichen Fertigungstechnologien entscheiden, um eine in ihrem Sinne wirtschaftlich und technologisch sinnvolle Lösung zu finden. Ausgehend von relevanten Forschungsarbeiten zum Thema Technologiebewertung werden in dieser Arbeit bestehende Modelle analysiert und deren inhaltlichen Stärken und Schwächen herausgearbeitet. Auf Basis eigener inhaltlicher und formaler Anforderungen werden Schwerpunkte für ein neues Modell formuliert. Hierbei wird insbesondere eine Definition für die technologische Wertschöpfung gegeben und diese im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit für die Bewertung zugänglich gemacht. Eine weitere zentrale Rolle spielt die Abbildung von Technologieketten für die Analyse und die Einschätzung der technologischen und wirtschaftlichen Komplexität, wobei hier vor allem die Dimensionen Vielfalt, Dynamik und Unsicherheit Eingang in die vorliegende Arbeit finden. Durch das erstellte Modell wird ausgehend von einer Produkt-Roadmap und den Eigenschaften der zu untersuchenden Technologien eine systematische Vorgehensweise beschrieben, welche über die Erstellung von Technologieketten, die Bewertung der benannten Faktoren mit Berücksichtigung der weiteren Größen Produktivität und Kosten bis zur Darstellung des Modells in einem zusammenfassenden Kennzahlenkatalog reicht. Abschließend werden Teile des Technologiebewertungsmodell auf das Beispiel eines Displays für automobile Anwendungen und eines Trägerbauteils aus Faserverstärkten Kunststoff angewendet, um so die praktische Vorgehensweise zu verdeutlichen.
Sol-Gel basierte Elektrodenmaterialien für Polymer-Solarzellen. - 99 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Sol-Gel-Herstellung und Abscheidung von Niob dotierten Titandioxidschichten (Nb:TiO2) auf Substraten aus Glas, Polymer und Silizium. Schwerpunkte der Arbeit waren die Sol-Entwicklung und die Untersuchung der optischen und elektrischen Eigenschaften von Nb:TiO2 sowie der Struktur in Abhängigkeit von der anschließenden thermischen Behandlung. Für das Sol Gel Verfahren konnten verschiedene Herstellungswege aufgezeigt werden. Die Dotierkonzentration wurde bis 40 % variiert. Der Einfluss der Dotierung auf die Anatasbildung wurde bis 12 % ermittelt. Hierbei zeigte sich, dass keine unerwünschte Beeinträchtigung auftrat. Die Abscheidung aus der flüssigen Phase erfolgte mit Hilfe vier verschiedenen Methoden: Tauchen, Aufschleudern, Drucken und Rakeln. Mit allen Methoden konnten visuell geschlossene Schichten hergestellt werden, mit unterschiedlich guter Homogenität der Schichtdicke. Mit dem Gravurdruck konnten auch geometrische Objekte mit Strichbreiten im Bereich von 100 mym und mehr gedruckt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit der materialsparenden Strukturierung ohne nachträglichen Abtrag. Über die anschließende thermische Behandlung der getauchten Schichten wurden die Kristallinität und die Transmission optimiert. Mit zunehmender Dotierung des Sols verschob sich die Kristallisationstemperatur nach oben. Dies konnte durch eine niedrige Aufheizrate 5 K/min kompensiert werden. Die Art des Ofens und dessen Atmosphäre haben einen wesentlichen Einfluss auf die Kristallphasenbildung und Transmission. Nach der Temperung im Gradientenofen bei 400 ˚C und einer Haltezeit von 10 min konnte Anatas nachgewiesen werden. Die dotierten Schichten aus dem Gradientenofen wiesen im sichtbaren Bereich eine geringe Absorption von max. 10 % auf und besaßen eine Bandlücke von ca. 3,31 eV. Die Temperung unter Vakuum hatte einen negativen Einfluss auf die Transmission. Die AFM-Aufnahmen gaben Hinweise darauf, dass die getemperten Schichten nicht porenfrei waren. Das Gefüge war körnig, mit typischen Korndurchmessern im Bereich von 40 nm. Für dünnere Schichten kann dies durch Veränderungen des Sol-Rezeptes optimiert werden. Die Schichten erreichten keine mit der Vierpunkt Messmethode bestimmbare Leitfähigkeit. Messungen der Durchleitfähigkeit waren ebenfalls nicht aussagekräftig. Aufgeschleuderte TiO2 bzw. Nb:TiO2-Schichten konnten in den bestehenden Aufbau einer Polymer-Solarzelle integriert werden. Diese Schichten wurden mit der Heizplatte getrocknet. Die Vermessung der I-U-Kennlinie zeigt, dass eine 6 % Dotierung des Titandioxids mit Nb vorteilhaft ist.
Leichtbau Sandwichverbunde aus thermoplastischen Composites. - 82 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2012
Leichtbau durch Kunststoff, besonders durch neuartige Leichtbau-Sandwichstrukturen, eröffnet eine neue Dimension im Automobiltechnik. Die Firma REHAU AG+Co. hat sich besonders das Thema Strukturleichtbau auf Basis thermoplastischer Composites (TPC) vertieft. Hierbei stehen Konzepte der unidirektionalen Faserverstärkung (DU-Tapes) im Mittelpunkte. Die einachsig ausgerichteten Faserlagen werden in einer Thermoplast-Matrix eingebettet. Das neue Verfahren trägt den Namen ULTRLITEC. Nach einer Recherche zum Stand der Technik wird eine Marktrecherche nach geeigneten Kernschichtmaterialien durchgeführt. Aus UD-Tapes wurden im ULTRLITEC verfahren Sandwichplatten mit unterschiedlichen Materialkombinationen hergestellt. Als Kernschichtmaterialien wurden verschiedenen Schäumen (sowie PVC, PUR, PMI, PET), Waben und Balsaholz eingesetzt. Dabei werden die verwendeten Herstellparameter zu optimieren und zu beschreiben. Die Sandwichplatten werden hinsichtlich ihre mechanischen Kennwerten aus dem Druck-, Schub- und Biegeversuch ermittelt und beurteilt. Als Bewertungskriterium wurde Leichtgüte und Leichtbaurentabilität verwendet. Anschließend lässt sich sagen, dass aufgrund der hohen Leichtbaugüte und hohen Leichtbaurentabilität welche Kernschichtmaterialien für weitere Untersuchung und Verwendung besonders interessant.
Konzept eines Leichtbau-Frontsitzes aus Faser-Kunststoff-Verbund. - 145 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Durch die geänderten Ansprüche und Rahmenbedingungen der Fahrzeugindustrie, ist eine Gewichtsreduktion der Modelle notwendig. Im Bereich der Fahrzeugsitze, weist die aktuelle Stahlstruktur nur noch wenige Potentiale in dieser Richtung auf. Aus diesem Grund untersucht die vorliegende Arbeit ein neues Konzept eines Frontsitzes aus faserverstärktem Kunststoff. Dabei wird dieser in 3 Teile geteilt: eine einteilige Sitzschale, den Unterbau und das Polstermaterial. Die geforderten mechanischen Festigkeiten werden mit Hilfe der FE-Methode simuliert und anschließend in mehreren Iterationsschritten in die Konstruktion eingebracht. Der Unterbau beinhaltet eine innovative Beeinflussung aller Verstellwege, um durch eine vereinfachte Konstruktion Gewicht zu sparen und gleichzeitig einen großen Teil von potentiellen Insassen abzudecken. Auch hier kommt faserverstärkter Kunststoff zum Einsatz, um durch einen angepassten Versagensverlauf Gewicht zu sparen. Die Arbeit analysiert diesen auf die Vorgänge des Materials bei Belastung. Den Komfort und die Ergonomie des Konzeptes bestätigen Probandenuntersuchungen eines Musters, aus denen zukünftige Schritte ableitbar sind. Die Polstermaterialien werden auf ihre klimaphysiologischen Eigenschaften untersucht, mit Hilfe verschiedener thermischer Experimente. Dabei zeigt sich, dass mit neuen Materialien bessere Eigenschaften geschaffen werden können, die gleichzeitig zur Vereinfachung und Gewichtsreduktion der Konstruktion beitragen.