Master-/Diplomarbeiten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Aluminium-, eloxierten Aluminium- und Edelstahl-Substraten untersucht, die mit SiO2-Schichten, die mit einem neu entwickelten Niedertemperatur-APCVD-Verfahren bei unterschiedlichen Prozessparametern abgeschieden wurden, beschichtet wurden. Die Proben wurden einerseits mit verschiedenen Messverfahren auf ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften hinsichtlich Haftfestigkeit, Gitterstruktur, Morphologie, Stöchiometrie, Rauigkeit und atomar-chemische Zusammensetzung untersucht und andererseits wurden ihre korrosionshemmenden Eigenschaften mit einem Standard-Salznebelsprühtest sowie einem selbst entwickelten Schnelltest im Salzsäuredampf charakterisiert. Mit dem standardisierten Salzsprühtest nach DIN ISO 50900 konnte nachgewiesen werden, dass die SiO2-Schichten eine gute Schutzfunktion haben. Da dieser Test einerseits sehr lange dauert und andererseits keine Differenzierung zwischen den Proben ergab, wurde ein Schnelltest in Salzsäuredampf entwickelt, der deutlich Unterschiede im Korrosionsverhalten der Proben zeigte. Durch die Versuche wurde ermittelt, dass Korrosionstests in Salzsäuredampf aus niedrigprozentiger Salzsäurelösung (5% bis 15%) über Zeiträume von wenigen Stunden zu aussagefähigen Ergebnissen führen. Mit optischer Mikroskopie und REM wurden die Korrosionsschäden nachgewiesen. Dabei wurden deutliche Unterschiede zwischen den Substratmaterialien unbeschichtetes Aluminium, eloxiertes Aluminium und Edelstahl gefunden. Die Untersuchungen zeigen, dass es deutliche Unterschiede im Korrosionsschutz zwischen mit unterschiedlichen technologischen Parametern, z.B. der Essigsäuremenge, hergestellten SiO2-Schichten gibt. Erstaunlicherweise bewirkt eine Vergrößerung der Schichtdicke keine Verbesserung des Korrosionsschutzes. Die Korrosionsschäden beginnen häufig als punktförmige Defekte zu entstehen. Um den Korrosionsmechanismus zu untersuchen, wurden Proben auf vor der Beschichtung durch Elektropolieren und Sandstrahlen präparierten Substraten abgeschieden. Durch den Test in Salzsäuredampf über 15%-iger Salzsäurelösung wurde festgestellt, dass die Korrosionsbeständigkeit der Proben auf polierten Substraten stark verbessert war. Statt einer Stunde könnten die Proben mit Vorbehandlungen mehrere Tage im Salzsäuredampf vor Korrosion schützen. Das Ergebnis legt nahe, dass Substratdefekte wie Rauigkeit, Poren, Lunker sowie Bearbeitungsspuren für die Ausbildung von Korrosionsherden verantwortlich sind. Diese Oberflächendefekte bewirken mit großer Wahrscheinlichkeit auch Defekte in der Schicht, die dann erste Angriffspunkte für Korrosion sind. Das vielleicht erstaunlichste Ergebnis zeigten SiO2-Schichten auf sandgestrahlten Aluminiumoberflächen. Schichten auf derartig vorbereiteten Substraten zeigten einen deutlich verbesserten Korrosionsschutz. Es wäre interessant zu prüfen, ob sich diese Ergebnisse bestätigen lassen. Gegenüber Verfahren wie Elektropolieren ist Sandstrahlen für fast alle Oberflächen und Geometrien anwendbar. Gleichzeitig ist es ein sehr umweltfreundliches Verfahren, bei dem keine umweltbelastenden Produkte verwendet werden oder entstehen. Es ist zu prüfen, ob Methoden wie das Strahlen mit definierten SiO2-Kügelchen, wie es häufig bei Produkten der Vakuumtechnik verwendet wird, zu noch besseren Ergebnissen führen kann. Zusammenfassend kann man sagen, dass die mit dem neuartigen Niedertemperatur-APCVD-Verfahren hergestellten SiO2-Schichten den Korrosionsschutz von Aluminium, eloxierten Aluminium und Edelstahl teilweise deutlich verbessern. Sowohl die Abscheideparameter als auch die Substrateigenschaften haben darauf einen starken Einfluss. Der entwickelte Schnelltest in Salzsäuredampf ist gut geeignet, den Korrosionsschutz der Schichten in kurzer Zeit zu testen. Er erfordert einen sehr geringen Aufwand und die Auswertung kann mit einem einfachen Mikroskop erfolgen.

Um im Großanlagenbau den geforderten Qualitätsbedürfnissen gerecht zu werden, bedarf es einer fertigungsbegleitenden Überwachung von Bauteilen. Eine eigene Abteilung wird in das Unternehmen integriert, um diese zu koordinieren beziehungsweise durchzuführen. Die Analyse und Verbesserung der Arbeit dieser Abteilung ist die Aufgabe dieser Ausführungen. Zunächst werden Möglichkeiten der Organisationsgestaltung aus der Literatur erörtert um den gegebenen Sachverhalt verstehen zu können. Hierbei wird sowohl auf Formen der Organisationen, als auch auf die Situation im Großanlagenbau mit seinen speziellen Herausforderungen eingegangen. Es werden grundsätzliche Möglichkeiten der Gestaltung von Organisationen aufgezeigt, als auch Vor- und Nachteile dargestellt. Ebenso wird der allgemeine Prozess einer Produkterstellung im Anlagenbau beschrieben. Dabei wird der Unterschied im Lieferantenmanagement im Vergleich zu anderen Branchen hervorgehoben und dargestellt. Im weiteren Verlauf werden alle essentiellen Punkte der Prozesstheorie und Prozessdarstellung beschrieben. Zunächst erfolgt die Definition von Prozessen in der Theorie. Darauf aufbauend werden Gründe für deren Verbesserung dieser dargelegt. Mögliche Ziele als Motivation und Aufzeigen der erreichbaren Möglichkeiten, sowie anwendbare Methoden rahmen das Kapitel der Prozessverbesserung ein. Zur Prozessdarstellung werden alle Werkzeuge aufgezeigt. Der nächste Schritt ist eine Ist-Analyse mittels einer Mitarbeitermeinungserhebung. Dazu werden Mitarbeiter in Einzelgesprächen interviewt um im Anschluss eine anonymisierte Auswertung zu erstellen. Eine zweigeteilte Analyse gibt zunächst die Performance der betrachteten Abteilung wieder und im stellt im nächsten Schritt Probleme und Herausforderungen dar. Für die Befragung wurde ein eigens entwickelter Fragebogen verwendet. Auf Basis dieser Daten werden die gegebenen Noten analysiert und Gründe für die Vergabe gefunden. Im zweiten Teil der Befragung werden die Beantwortungen der Fragen stichpunktartig vollführt. Dadurch lassen sich Probleme in der Zusammenarbeit spezifisch herausstellen, wie auch Informationen zur Prozessdefinition sammeln. In der Konzeptionierung werden alle mit der Abteilung zusammen hängende Prozesse definiert und abgestimmt. Somit ist ein Ansatz für das am häufigsten genannte Problem erstellt und ein Weg für darauf aufbauende Arbeit geschaffen.

In der vorliegenden Masterarbeit werden Anforderungen an die Architektur eines implantierbaren Augeninnendrucksensors erarbeitet. Die Anwendung dieser Sensoren richtet sich vor allem an Patienten mit Glaukom-Erkrankung (Grünen Star). Bei dieser Risikogruppe besteht die Gefahr, dass der Augeninnendruck einen kritischen Grenzwert von 22 mmHg (= 2,926 kPa) übersteigt. Da diese Grenze tagesformabhängig nur zeitweilig überschritten wird, ist ein kontinuierlicher Messvorgang erforderlich. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Entwicklung der Druckmesszelle und dem Aufbau eines Prototyps. Nach einer Recherche zum Stand der Technik erfolgt die Konzeption eines Absolutdrucksensors. Insbesondere werden neue Anwendungsmöglichkeiten von Aluminiumnitrid (AlN) als Membranmaterial untersucht. Der Vorteil in der Verwendung von AlN liegt in der hohen mechanischen Belastbarkeit. Zudem besitzt es piezoelektrische Eigenschaften, welche für die Entwicklung eines Mikrogenerators genutzt werden können. Die Dimensionierung der geometrischen Parameter erfolgt mit Hilfe einer automatisierten, modellgestützten Parameteroptimierung in Maple. Die Beschreibung der Randbedingungen des Optimierungsverfahrens wurde auf Grundlage der Umgebungseigenschaften im Auge festgelegt. Hieraus ergeben sich u.a. der Messbereich (60 bis 130 kPa), die zur Verfügung stehende Sensorfläche (= 1 mm) und eine gewünschte hohe Empfindlichkeit des Sensors mit einer Auflösung von 1 mmHg (= 133 Pa). Das Optimierungsverfahren umfasst die Bestimmung der Kammerhöhe, Membrandicke sowie Membranfläche und bildet die Grundlage für den Entwurf und die Fertigung eines Maskensatzes zur Fotolithographie und des dazugehörigen Flow-Charts. Als Vorbereitung zur Umsetzung der notwendigen Prozessschritte wurden am Zentrum für Nano- und Mikrotechnologien (ZMN) Vorversuche durchgeführt. Dazu wurde die Membran als geometrisches Primitiv ("lines and spaces") nachgebildet. Damit konnten Aussagen zur lokalen Verteilung intrinsischer Spannungen, Abscheidung und Kantenbedeckung von mehrschichtigen Membranen auf der Opferschicht sowie Ätzrate bzw. Selektivität von HF-Dampf bezüglich Siliziumoxid und -nitrid, getroffen werden. Die gezogenen Rückschlüsse aus der wissenschaftlichen Auswertung der Vorversuche flossen zur Findung stabiler Prozesskombinationen und parameter in die Sensorfertigung ein. Zeitgleich wurde zur Überprüfung der Sensoren ein Messplatz aufgebaut und auf dessen grundlegende Funktionsfähigkeit getestet.

Die folgende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung des Wachstums von intermetallischen Gold/AluminiumPhasen mit Hilfe von EBSD. Dafür werden einerseits Golddrahtbondverbindungen auf Aluminiumschichten, als auch Aluminiumdrahtbondverbindungen auf Goldsubstraten für EBSD zielgerichtet präpariert. Zusätzlich soll das Phasenwachstum verschiedenartig zusammengesetzter Gold/AluminiumSchichtsysteme untersucht werden. Mittelpunkt der Arbeit ist es, bisherige Untersuchungsergebnisse zu uberprüfen, gegebenenfalls zu korrigieren oder zu erweitern. Dabei werden die vielfältigen Möglichkeiten der EBSDUntersuchung herausgestellt und zur Beschreibung der Mikrostruktur der intermetallischen Phasen genutzt.

Ausgangspunkt dieser Arbeit war die Überlegung, das Einsatzgebiet von Vakuumisolationspaneelen (VIP) zu erweitern und diese in Systemen mit höheren Temperaturen (z.B. thermische Flachkollektoren) einzusetzen. Ausgasungen des Kernmaterials können den Vakuumdruck im Inneren vergrößern und werden durch steigende Temperaturen beschleunigt. Ein höherer Druck führt zu einer Steigerung der Gaswärmeleitfähigkeit und damit einer Verringerung der Dämmwirkung des VIP, in denen die Gaswärmeleitfähigkeit durch Evakuieren des Kerns normalerweise nahezu null ist. In dieser Arbeit wurden verschiedene Faserkernmaterialien bezüglich ihres Ausgasungsverhalten bei Erwärmung untersucht. Zur quantitativen Erfassung der Ausgasungen wurden die Proben im Vakuum während einer 24h-Heizperiode (Heiztemperatur 230˚C; mittlere Probentemperatur 160˚C) gewogen und somit die Ausgasungsmassen direkt gemessen. Um die qualitative Zusammensetzung der abgegeben Stoffe zu identifizieren, wurden die ausgegasten Stoffe zeitgleich mit einem Massenspektrometer analysiert. Mit Hilfe der Gaszusammensetzung ist eine Zerlegung des totalen Masseverlustes in gasartspezifische Masseverluste und mit ihnen die Umrechnung in Partialdruckänderungen möglich (Modell der idealen Gasgleichung). Diese Partialdrücke verursachen Änderungen der Gaswärmeleitfähigkeit je Gaskomponente, die in eine gesamte Änderung der Gaswärmeleitfähigkeit für das Gasgemisch umgerechnet werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass die unbehandelten Materialien Ausgasungsraten zwischen 1 und 9 mg je g Probenmasse aufzeigen, wobei Materialien mit Bindemitteln die höchsten Masseverluste vorweisen. Die Gaswärmeleitfähigkeit des Gasgemisches ist jedoch nach Berechnungen bereits ab ca. 0,8 mg/g Ausgasungsmasse voll ausgebildet. Alle Ausgasungen sind vor allem durch einen hohen Wasseranteil bis zu 90% bei Binder freien Materialien gekennzeichnet. Der verbleibende Teil setzt sich aus H2 (ca. 2%), CO (ca. 4%) und CO2 (ca. 4%) zusammen. Enthält das Material Bindemittel, so sinkt der Wasseranteil der Ausgasungen auf ca. 40-50%. Hingegen steigt der Restanteil, der auf sich zersetzende Bindemittel beruht. Schlussfolgernd ist festzuhalten, dass die unbehandelten Materialien (vorzugsweise ohne Binder) definitiv eine Temperaturvorbehandlung mindestens zur Eliminierung von Wasser benötigen, um sie für "Hochtemperatur-VIPs" einsatzfähig zu machen.