Master-/Diplomarbeiten

Die ständige Forderung nach Miniaturisierung und Steigerung der Leistungsfähigkeit komplexer technischer Systeme erfordert eine zunehmende Funktionenintegration in den Bauteilen, umfangreiche Simulationen zur Optimierung und neue Wege hinsichtlich der verwendeten Materialien sowie der Fertigungs- und Fügetechnologien. - Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Optimierung und Herstellung eines Demonstrators für ein bereits entworfenes, hoch funktionenintegrierendes, elektromagnetisches Mikroventil. Dazu gehören die Minimierung des Verlustdruckes und der Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal, sowie die Verbesserung der Magnetkreisparameter des Aktors im Ventil. Des Weiteren müssen geeignete Fügeverfahren für die Ventilbauteile evaluiert und angewendet werden. - Mittels Ansys wurden die kritischen Stellen im Strömungskanal ermittelt und kontinuierlich verbessert. Dazu gehören der Ventileinlass- und Auslasskanal, sowie der Dichtsitz am Eingang zur Ventilkammer. Als Ergebnis der Simulationen konnte der Strömungswiderstand und somit der Verlustdruck sowie die Strömungsgeschwindigkeit erheblich gesenkt werden. - Im nächsten Schritt wurde der Magnetkreisanker als Schlüsselelement der Magnetkreisoptimierung hinsichtlich seines Durchmessers optimiert. Dazu sind heterogene und homogene Ansätze zur Realisierung der Feder entstanden, sowie geeignete Materialien untersucht und bewertet worden. Mittels Ansys gelang eine wesentliche Verkleinerung des Mäanderfederdurchmessers in Hinsicht auf eine ätztechnische und galvanische Fertigung. Als Ergebnis konnte das Spulenfenster und somit das magnetisch aktive Volumen der Spule wesentlich vergrößert werden, wodurch eine höhere magnetische Durchflutung ermöglicht wird. In der anschließenden Simulation des gesamten Magnetkreises wurden mit Ansys die resultierenden Magnetkreisparameter bestimmt und das Ventil geometrisch an diese angepasst. - Mittels ätztechnischer und galvanischer Fertigung wurde der als Mäanderfeder ausgeführte Magnetkreisanker im Batchverfahren hergestellt. Die Gehäuseteile sind mittels Lasergravur aus MIM-Rohlingen (Metal Injektion Molding) entstanden. Die Ventilkammer ist mittels Ansys auf ihre Druckfestigkeit überprüft worden. - Die Evaluierung geeigneter Fügeverfahren für die Ventilkammer und das Ventilgehäuse ermöglichten die Bewertung und Auswahl für dieses Ventil. Als geeignet erwiesen sich dabei das Laserschweißen und ein neuartiges Lötverfahren mittels "Microfoils" zum Fügen der Einzelteile. Hinweise zum Fügeprozess bilden die Grundlage zum Aufbau des Demonstrators.

Gegenstand dieser Diplomarbeit ist die Optimierung eines Materialverbundes aus Silicium und Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC). Genutzt wird eine nanostrukturierte Siliciumoberfläche aus modifiziertem Black Silicon und ein niedrigschmelzendes Glas-Keramik-System (BGK), dass im Wärmeausdehnungskoeffizienten an den des Siliciums angepasst ist. Ausgangspunkt dieser Arbeit waren erste Bondversuche, die eine mittlere Bondfestigkeit von 800 N/cmø ergaben. Darauf aufbauend wurden im Rahmen dieser Arbeit Fügeparameter ausgewählt und hinsichtlich der Festigkeit des Verbundsubstrates optimiert. Die Festigkeit der Verbindung wurde in Zerreißversuchen ermittelt und unter Berücksichtigung von Methoden des DoE der dazugehörige Versuchsplan erarbeitet. Dabei wurde eine mittlere Bondfestigkeit von ˜1700N/cmø bestimmt. Als Hauptparameter stellten sich dabei die Laminierdauer und der Laminierdruck heraus. Das Bestätigungsexperiment mit den optimalen Parametern ergibt Werte am unterem Erwartungshorizont.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit piezoelektrischen Schallsensoren und Schallerregern, die mit den Technologien der Mikrosystemtechnik hergestellt werden können. Im Schwerpunkt dieser Arbeit steht die Schallsensorik. Als piezoelektrisches Material kommt das in der Mikrosystemtechnik bisher noch eher selten eingesetzte Aluminiumnitrid zum Einsatz. Im Fokus stehen Biegewandler in Form von Kreis- und Quadratmembranen sowie Brücken- und Zungenstrukturen. Am Rande werden auch Schallsensoren und Schallerreger auf Basis von SAWs (surface acoustic waves) betrachtet. Neben der Geometrie der Biegewandler werden verschiedene Anwendungsformen (Monomorph, Bimorph, Parallel-Bimorph und Serien-Bimorph) diskutiert und mittels der Finite-Element-Methode simuliert. Es sind verschiedene technologische Konzepte dargestellt und in zwei Prozessen sind Biegewandler in Form eines Bimorphs hergestellt worden. Als Biegewandler sind hauptsächlich Kreismembranen prozessiert worden. Biegewandler in Form von Quadratmembranen und Brückenstrukturen konnten auch erfolgreich hergestellt werden. Die Durchmesser bzw. die Kantenlängen der Biegewandler sind zwischen ein bis drei Millimeter und die Dicke liegt bei weniger als einem Mikrometer. Durch Messungen kann ein Funktionsnachweis der Sensoren erbracht werden. Abgeschlossen wird die Arbeit mit der Untersuchung von Versteifungen und Flexibilisierungen auf das mechanische Verhalten der Wandler mittels der Finite-Element-Methode.

Die Untersuchungen in der Diplomarbeit "Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Eis bei schlagartiger Beanspruchung" sollen einen Beitrag zur Klärung des Reibprozesses von harten Werkstoffen auf Eis leisten. Denn bis heute werden die der Reibung auf Eis zugrunde liegenden Mechanismen nur unvollständig verstanden. In dieser Arbeit wurden die mechanischen Eigenschaften von Eis bei schlagartiger Beanspruchung ermittelt. Mittels Schlagbiegeversuch nach Charpy (DIN EN ISO 179) sind an gekerbten und ungekerbten Eisprobekörpern die Kennwerte Schlagzähigkeit, Kerbschlagzähigkeit und Elastizitätsmodul in Abhängigkeit von der Eistemperatur und der Belastungsgeschwindigkeit bestimmt worden. - Zur Bestimmung der mechanischen Kennwerte an Eisprobekörpern musste ein geeignetes Verfahren zur Herstellung von möglichst riss- und porenfreien Eisprobekörpern gefunden werden. Eine zweckmäßige Probenkörpergeometrie wurde festgelegt und das konventionelle Pendelschlagwerk PW 5 hinsichtlich der Kühlung der Probekörper während des Versuchs und der Probekörpergeometrie umgebaut. Es wurden insgesamt 180 Eisproben zerschlagen und deren Kraft-Weg-Verlauf aufgezeichnet. Eine Bestimmung der Schlagzähigkeit bzw. Kerbschlagzähigkeit und des Elastizitätsmoduls erfolgte aus der Schlagarbeit und den elastischen Kenngrößen. - Die mechanischen Kennwerte der Eisproben zeigten eine sehr große Streuung, es ergab sich eine rechtslastige Verteilung. Ein Mittelwert nach Gauß konnte nicht zur Auswertung und Darstellung der Ergebnisse benutzt werden, da sich keine Normalverteilung ergab. Aus diesem Grund musste eine geeignete Verteilung gefunden werden, um die gewonnenen Messwerte darzustellen und zu interpretieren. Eine geeignete Verteilung ist die Weibull-Verteilung. Mit dieser Verteilung kann man Werkstoffe beschreiben, bei denen die Eigenschaften sehr stark von einer Fehlergröße (z.B.: Anzahl der Risse im Eis) abhängen und deshalb sehr stark streuen.

In der vorliegenden Diplomarbeit wird ein neuartiges pneumatisches Mikroventil aufgebaut, welches mit einem elektromagnetischen Resonanzaktor betrieben wird. Für die erfolgreiche fertigungstechnische Umsetzung des mechatronischen Systems wird der Grobentwurf des Mikroventils in ein feindimensioniertes und fertigungsgerechtes Design überführt. Die konstruktive Gestaltung erfolgt unter dem Ziel der Volumenintegration. Der Konzeption und Dimensionierung der Ventilfeder kommt aufgrund des kleinen Bauraums und der dynamischen Forderungen eine besondere Bedeutung zu. Die Ventilfeder muss bei vergleichsweise hoher Steifigkeit dauerfest ausgelegt sein. Mit Hilfe der Laser-Feinbearbeitung kann eine Feder gefertigt werden, die sowohl den Anforderungen als auch den Restriktionen genügt. Der Schaltungsentwurf zur Steuerung des Resonanzventils sowie das Layout der Leiterplatte wird dokumentiert. Der Prozess der Systemintegration legt im Rahmen der messtechnischen Eigenschaftsabsicherung der Ventilkomponenten von der Spezifikation abweichende Werkstoffparameter offen. Die Folgen sind eine gegenüber dem Systemmodell verringerte Reluktanzkraft in den Endlagen des Ventilankers, eine geringere Steuerbarkeit sowie ein erhöhter Energiebedarf des realisierten Funktionsmusters. Dennoch konnte die Funktion des Ventils nachgewiesen sowie die aus dem Funktionsprinzip hervorgehenden Vorteile dargestellt werden. Im Rahmen des Systementwurfs wird einem besonders interessanten Detailansatz nachgegangen: der funktionellen und technologischen Integration von Ventilfeder und Anker. Der vollkommen neue Ansatz verkörpert die Konstruktionsziele der Funktionen- und Volumenintegration. Die Ergebnisse der Betrachtungen zur Miniaturisierung haben gezeigt, dass das realisierte Resonanzventil in seinen Abmessungen noch wesentlich verkleinert werden kann: Mit dem Prinzip des querschnittsvergrößerten Dauermagneten ist eine Reduktion des Ventilvolumens unter Einhaltung aller funktionellen Parameter wie Nennweite und Schaltfrequenz um mehr als eine Größenordnung auf ein Gesamtvolumen des Ventilaktors von etwa 0.3 cmџ möglich. Die im Vergleich zum Eisenquerschnitt des magnetischen Rückschlusses vergrößerte Querschnittsfläche des Dauermagneten ermöglicht die Ausnutzung der hohen Sättigungsflussdichte von Eisen-Kobalt-Legierungen und somit die entscheidende Verkleinerung des Aktorvolumens.