Synthesis and characterization of nanostructured ternary MAX-phase thin films prepared by magnetron sputtering as precursors for two-dimensional MXenes. - Ilmenau. - 118 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
MAX-Phasen- Dünnschichten können hergestellt werden, indem zunächst eine Vorläufer Dünnschicht mit den drei Elementen M, A und X nahe der Stöchiometrie der MAX Phasen durchphysikalische Abscheidung aus der Gasphase abgeschieden wird, gefolgt von einem thermischen Glühprozess. In dieser Arbeit werden verschiedene Abscheidungskonfigurationen (Multilayer und Co-Sputtern) für die Herstellung von Ti2AlC und Ti3AlC2-MAX-Phasen-Dünnschichten durch Magnetron-Sputtern aus drei elementaren Targets (Ti, Al und C) vorgestellt. Es wurde festgestellt, dass die Abscheidungen hauptsächlich amorph erfolgten, so dass sich die MAX-Phase nicht bilden konnte. Durch Einstellen der Abscheidungsparameter wie Temperatur und Substratspannung konnte die Abscheidungsmorphologie auf kristalline beeinflusst werden. Darüber hinaus wurden Ti2AlC and Ti3AlC2 nanostrukturierte MAX-Phasen -Dünnschichten durch Magnetronsputtern mit drei elementaren Targets (Ti, Al und C) in einem schrägen Winkel hergestellt (Oblique Angle Deposition), was zu einer säulenförmigen Dünnschicht führte, und die Eigenschaften der Dünnschicht wurden als Funktion des Säulenwinkels beschrieben. Schließlich wurden die MAX-Phasen in normaler und OAD-Konfiguration geätzt und die Eigenschaften der resultierenden MXen-Dünnschichten analysiert. Es zeigte sich, dass nur die Oberfläche der Probe von der Ätzlösung angegriffen wurde. Somit wurde nur die Oberfläche der MAX-Phase in MXen umgewandelt. Diese Hypothese wurde durch verschiedene Untersuchungen wie Röntgenbeugung und Raman-Spektroskopie verifiziert, um die mögliche Morphologie und chemische Umwandlung und deren Einfluss auf die Eigenschaften der geätzten Dünnschicht zu verstehen. Ziel dieser Arbeit ist, den Zusammenhang zwischen der Morphologie der MAX-Phasen Dünnschichten und den Eigenschaften der entstehenden MXene zu entschlüsseln. Durch das Verständnis dieses Zusammenhangs wäre es möglich, die Eigenschaften dieser Schichten für bestimmte Anwendungen zu optimieren.
Analyse der Zeit-, Temperatur- und Druckabhängigkeit von Materialparametern während des Resin Transfer Moldings (RTM). - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2023
Das Resin Transfer Molding (RTM) ist ein Herstellungsverfahren für Faserverbundkunststoffe, das sich aufgrund kurzer Zykluszeiten und hohem Automatisierungsgrad in der Serienfertigung von Leichtbaukomponenten etabliert hat. Eine große Herausforderung ist jedoch die Entstehung von Lufteinschlüssen (Poren) während der Benetzung der Fasern durch das Harzsystem. Ziel dieser Arbeit ist die Analyse veränderlicher Materialparameter auf makro- und mikroskopischer Ebene während der gesamten Formfülldauer. Eine Einordnung und Bewertung bestehender Berechnungsmodelle zur Porenentstehung werden vorgenommen. Basierend auf den Mechanismen der Porenentstehung und der Betrachtung deren Einflussgrößen, erfolgt die Einführung eines Modells zur Entstehung von Poren an der Fließfront in einem Zweiskalenfließmodell. Im Fokus der Arbeit stehen die mikroskopische Permeabilität des Faserhalbzeugs, sowie die Materialparameter der modifizierten Kapillarzahl. Zur Berechnung der modifizierten Kapillarzahl werden die Temperatur- und Zeitabhängigkeit der Oberflächenspannung des Harzsystems und des Kontaktwinkels zwischen Fasern und Harzsystem ermittelt. Die Auswirkung der Änderungen auf den Porenanteil wird diskutiert. Die Abhängigkeit der mikroskopischen Permeabilität von der Werkzeugkompression wird in einem konzipierten Versuchswerkzeug mit verschiedenen textilen Halbzeugen und Lagenanzahlen untersucht. Geeignete Modelle zur Berechnung der Permeabilität werden ausgewählt und verglichen. Die Erkenntnisse tragen zur Charakterisierung und Beschreibung der Vorgänge an der Fließfront bei. Die Ergebnisse zeigen, dass die Berücksichtigung veränderlicher Materialparameter bei der Entwicklung geeigneter Injektionsstrategien förderlich ist, um den Porenanteil zu verringern.
Entwicklung eines Prüflingshalters zur optischen Zentrierprüfung von Zylinderlinsen. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2023
Inhalt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Prüflingshalters für die optische Zentrierprüfung von Zylinderlinsen. Dabei werden die in der VDI-Richtlinie 2221 definierten Schritte zur Neuentwicklung von technischen Produkten und Systemen durchlaufen. Im Rahmen der Planungsphase werden alle Anforderungen, welche der Prüflingshalter erfüllen soll, festgelegt. Um einen möglichst großen Markterfolg des Produktes zu erzielen, werden die Anforderungen aus Kundenanfragen abgeleitet. Die Funktionsstruktur wird ermittelt und die Gesamtkonstruktion wird in Teilmodule untergliedert. Für jedes Teilmodul werden mehrere Lösungsvarianten entworfen, welche nach technischen Kriterien miteinander verglichen und bewertet werden. Die am besten geeigneten Lösungen werden zu einem Gesamtentwurf zusammengeführt und detailliert ausgearbeitet. Im Zuge der Ausarbeitung werden alle funktionswichtigen Berechnungen und Untersuchungen durchgeführt.
Untersuchung des Materialeinflusses bei ultraschallgeschweißten Kunststoff-Gehäusen zur Einkapselung elektronischer Komponenten. - Ilmenau. - 103 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
In dieser Abschlussarbeit wird die Auswirkung des Ultraschallschweißens mit Kunststoffgehäusen auf darin eingekapselte, elektronische Bauteile untersucht. Hierbei steht der Einfluss von unterschiedlichen Kunststoffen aber auch der Schweißnahtgeometrien und Schweißparameter im Mittelpunkt. Es wird gezeigt, welchen Einfluss die Materialeigenschaften wie E-Modul oder Glasfasergehalt auf die Schwingungsbelastung sowie das Auftreten von Beschädigungen an elektronischen Bauteilen haben. Neben Vorversuchen zur Schweißbarkeit der gewählten Kunststoffe wird daher untersucht, ob ein höherer E-Modul zu mehr Beschädigungen und einer höheren Schwingungsbelastung führt. Dabei werden die verbauten elektronischen Komponenten nach dem Schweißvorgang äußerlich und mittels Schliffmikroskopie auf Beschädigungen untersucht. Außerdem wird die Schwingungsbelastung unter Variation des Gehäusematerials während des Schweißvorgangs mittels Laser-Vibrometer gemessen. Abschließend wurden Thermoschock-Tests bei Baugruppen ohne Beschädigungen durchgeführt, um Vorschädigungen durch den Schweißvorgang auszuschließen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einkapselung von elektronischen Komponenten vor allem bei Gehäusematerialien mit niedrigem E-Modul beschädigungsfrei möglich ist. Je höher der E-Modul und Glasfasergehalt, umso mehr Beschädigungen traten auf und umso größer war die Schwingungsbelastung. Hierbei spielen aber auch das jeweilige Gehäuse- und PCB-Design eine entscheidende Rolle.
Innovative battery technology benchmarking. - Ilmenau. - 86 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Batterieelektrische Fahrzeuge erfreuen sich zunehmender Beliebtheit und sind weltweit zu einem festen Bestandteil der Mobilität der Zukunft geworden. Im Automobilsektor wird unterschiedliche Segmente wie Premium-, Sport- und Budget-Autos unterschieden. Die in diesen Autos eingesetzte Batterietechnologie unterscheidet sich aufgrund ihrer unterschiedlicher Anforderungen. In dieser Arbeit wird ein detaillierter Überblick über alle wichtigen Trends in der Batterietechnologie gegeben, die in verschiedenen Segmenten von BEVs eingesetzt werden. Diese Technologien werden in drei verschiedene Nutzungscluster eingeteilt, die sich auf Peformance, Kosten oder Lebensdauer konzentrieren. Im Performance-Cluster wird sich auf maximale Energiedichte, Leistung und Schnellladefähigkeit konzentriert, während im kostenoptimierten Cluster niedrige Materialkosten und hohe Verfügbarkeit eine wesentliche Rolle spielen. Im Lifetime-Cluster liegt der Fokus auf einer hohen Zyklusfähigkeit bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hohen Energiedichte und ausreichender Leistung sowie einer schnellen Ladefähigkeit. Um einen Überblick über all diese wichtigen Trends in der Batterietechnologie zu geben, wurden technische Diskussionen mit den verschiedenen Batterieherstellern durchgeführt. Ableitenden davon ergeben sich drei verschiedene zukünftige Trends der Lithium-Ionen-Technologien Kobaltfreie Technologie, Semi- bis Vollfestkörperbatterien und Schicht Oxid Batterien mit hohem Nickel Gehalt. Neben der konventionellen Technologie hat besonders die Natrium Ionen Batterie die Aufmerksamkeit vieler Automobilehersteller auf sich gezogen. Daher wird auch deren Weiterentwicklung hinsichtlich Energiedichte, Schnelladefähigkeit und Lebenzyklus für automobile Anwendbarkeit bewertet. Darüber hinaus werden von den Herstellern auch die leistungs- und sicherheitsrelevanten experimentellen Daten eines Prototyps dieser Batteriezelltechnologien untersucht, was eine eingehende Analyse der Vor- und Nachteile jeder einzelnen Zelltechnologie im Hinblick auf die oben genannten drei unterschiedlichen Konzeptszenarien ermöglicht, was wiederum die Bewertung der Einsetzbarkeit als negativ oder positiv in diesen Konzeptszenarien ermöglicht. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es, diese Technologien mit konventionellen Technologien zu vergleichen, die Batterie Technologie-Roadmap der Hersteller zusammenzufassen und miteinander zu vergleichen, um das Standing der einzelnen Hersteller zu bewerten.
Untersuchung der Verarbeitungsfähigkeit wärmeleitfähig modifizierter Duroplaste. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Der Stand der Technik von wärmeleitfähigen Füllstoffen und Verbundwerkstoffen war recherchiert. Ein Überblick über mögliche verwendete Füllstoffe und Polymermatrizen war aufgewiesen, um die Mischbarkeit zwischen beiden und elektrische Isolierung von Verbundwerkstoffen zu garantieren. In Vorversuchen wurde der maximale Füllstoffgehalt verschiedener Füllstoffe ohne Auswirkung auf Verarbeitbarkeit getestet, um die Wärmeleitfähigkeit von ausgehärteten Verbundwerkstoffen zu erhöhen. Nach weiterer Untersuchung wurde der Verbundwerkstoff mit der höheren Wärmeleitfähigkeit durch den Vergleich der Verbesserung der Wärmeleifähigkeit von ausgewählten Füllstoffen bestimmt, der ein Kompromiss zwischen Verarbeitbarkeit und Wärmeleitfähigkeit.
Benchmark von Berechnungsmodellen zur Bestimmung der Permeabilität textiler Halbzeuge. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Das Ziel dieser Arbeit ist es gängige Berechnungsmodelle zur Bestimmung der Permeabilität auf ihre Anwendbarkeit auf multidirektionale Gewebe zu überprüfen. Zu diesem Zweck wird eine Methodik zur Messung der Permeabilität mittels kapazitiver Sensorik entwickelt und auf Repro-duzierbarkeit untersucht, da kein genormtes Messverfahren existiert. Die Messung der Permeabi-lität erfolgt mittels radialer und linearer Anordnung. Für den Vergleich mit den Berechnungsmo-dellen zur Vorausbestimmung der Permeabilität werden die am häufigsten verwendeten Modelle recherchiert und deren Ergebnisse mit den Messwerten verglichen. Abschließend werden die beiden Messmethoden zur Messung der Permeabilität von einlagigen Geweben mit vergangenen Arbeiten gegenübergestellt, die die Permeabilität von mehrlagigen Faserverbunden untersucht haben.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Mobilität ist, wenn auch in psychologischen Studien weniger berücksichtigt, ein Grundbedürfnis und so alt wie die Menschheitsgeschichte. Darüber hinaus geht die Bedeutung von Mobilität einher mit gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Veränderungen. Heute steht die Mobilität erneut vor einem Wandel: Digitale Vernetzung, autonomes Fahren, elektrische Antriebstechnik und das Angebot von Mobilitätsdienstleistungen bilden die Grundlage für die Mobilität von Morgen. Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs ist durch die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akkumulatoren und politische Einflüsse, wie etwa Klimaziele der Europäischen Union, in den letzten Jahren stark vorangeschritten. Die Automobilhersteller stehen daher in den kommenden Jahren vor der Aufgabe, ihr derzeit angebotenes Produktportfolio umzugestalten. Dieser Wandel in den Portfolios der Automobilhersteller betrifft nachfolgend ebenso die Automobilzuliefererbranche: Neue Teile und Technologien werden von den Automobilherstellern nachgefragt. Aufgrund dessen plant der Automobilzulieferer ElringKlinger AG eine Rotor- und Stator-Fertigung für Elektromotoren. Hierbei kann bestehendes internes Know-how wie das Beschichten und Stanzen von Blechen sowie die Entwicklung von Klebstoffen auf die neue Produktserie transferiert werden. Die Rotoren und Statoren werden aus Elektroblechen in einem Scherschneideprozess ausgestanzt. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Kapazitätserhöhung sollen drei Lagen des Elektroblechs gleichzeitig gestanzt werden. Hierfür werden die drei Lagen der Elektrobleche zum sogenannten Compound-Material verklebt. Die mittlere Lage wird zuvor beidseitig beschichtet und anschließend im Compoundier-Prozess mit der unteren und oberen Lage zwischen zwei Presswalzen geführt. Das Compound-Material wird durch die Presswalzen unter Druck- und Temperatureinwirkung zusammengefügt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Serienkonzept der Compound-Fertigung erarbeitet und dafür verschiedene Anlagenkonzepte getestet. Die eingestellten Parameter des Compoundier-Prozesses (Temperatur in der Vorheizzone, Temperatureinwirkzeit sowie Druck und Temperatur des Presswalzenpaares) wurden mithilfe von Versuchen ermittelt. Außerdem wurden die Anforderungen an das Compound-Material definiert und ein geeignetes Prüfmittel für die Überwachung der Compound-Qualität validiert. Das am besten geeignete Serienkonzept für den Compoundier-Prozess besteht aus einer Doppelbandpresse mit pneumatischem Flächendruck in der Vorheiz- und Abkühlzone. Die Presswalzen müssen einen Liniendruck von mindestens 50 N/mm aufweisen. Während des Compoundier-Prozesses muss das Material auf 170˚C für 15 Sekunden erwärmt werden. Als adäquateste Prüfmethoden erwiesen sich Rollenschälversuche und Biegeversuche (vor allem 3-Punkt Biegeversuch), diese bilden die an das Compound wirkenden Kräfte im Folgeprozess ab.
Experimentelle Analyse und Modellierung der Elektrodenstruktur von trocken prozessierten LIB-Kathoden mit PTFE-Binder. - Ilmenau. - 94 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Durch die lösungsmittelfreie Herstellung von Kathoden für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien (LIB) ist es möglich, die Energie- und Herstellungskosten von Batteriezellen signifikant zu senken und parallel auf gesundheitsgefährdende Lösungsmittel zu verzichten. Allerdings wird durch die veränderte Prozessierung auch der Einsatz eines anderen Binders zum Aufbau einer stabilisierenden Matrix notwendig, was zur Veränderung der Mikrostruktur der Elektroden führt. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb trocken prozessierte LIB-Kathoden mit PTFE-Binder analysiert und modelliert. Ausgehend von REM- und EDX-Aufnahmen, sowie Partikelgrößenanalysen, porosimetrischen Untersuchungen und CT-Aufnahmen wurden Formen, Größen und die Verteilung der Komponenten innerhalb der Mikrostruktur analysiert. Die lösungsmittelfrei hergestellten Kathoden zeigten neben sphärischen Aktivmaterialpartikeln und polyedrischen Leitadditiv-Partikeln den fibrillierten Binder, der im Gegensatz zu herkömmlich hergestellten Kathoden in Form von feinen Binderfäden mit einem Durchmesser im Nanometer-Bereich vorliegt. Anschließend wurde mithilfe der gesammelten Informationen ein Modell zur Untersuchung des Einflusses der Elektrodenzusammensetzung und Verteilung aller Komponenten auf wichtige effektive Mikrostruktureigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit, die aktive Oberfläche und die effektive Lithium-Ionen-Diffusion im Elektrolyten erstellt. Das Modell wurde durch Leitfähigkeits- und BET-Messungen, sowie Untersuchungen der Porengrößenverteilung validiert, bevor der Einfluss von Porosität, Gewichtsanteilen und Verteilung der Komponenten auf effektive Mikrostruktureigenschaften simulativ untersucht wurde. Durch die lösungsmittelfreie Herstellung und den fibrillierten Binder werden hohe aktive Oberflächen des Aktivmaterials und geringe Tortuositäten der Mikrostruktur erreicht. Demnach ist die Optimierung der spezifischen Leistung und Schnellladefähigkeit einer Batteriezelle durch Verwendung trocken prozessierter Kathoden möglich. Die Massenanteile der Komponenten und die Porosität der Elektrode haben hingegen einen wesentlichen Einfluss auf die Transporteigenschaften von Elektronen und Lithium-Ionen innerhalb der Zelle. Die Ergebnisse dieser Arbeit können zur Prozessentwicklung lösungsmittelfrei hergestellter Kathoden verwendet werden.
Einflüsse der Beschichtungsparameter auf Zink-Lamellen-Obeflächen. - Ilmenau. - 130 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Die Beschichtung von Schrauben mit Zink-Lamellen-Beschichtungssystemen in einer Tauch-Schleuder-Beschichtungsanlage mit sich gegenläufig zur Hauptdrehrichtung drehenden Körben, den Planeten, stellt eine Alternative zur galvanischen Verzinkung dar. Ziel dieser Arbeit ist die systematische Analyse diverser Einflussfaktoren auf die Morphologie und Eigenschaften der entstehenden Beschichtung, um daraus optimale Beschichtungsparameter für die Serienfertigung abzuleiten. Dazu wurde ein Optimierungsversuchsplan aufgestellt, in welchem die Anzahl der Grundierungs- und Überzugsschichten, die Hauptdrehzahl und die Planetendrehzahl variiert wurden. Für die Bewertung der hergestellten Schichten wurden die Haftung, vollständige Deckung, das Schichtgewicht, die Bitgängigkeit, die Eindringtiefe, die Schichtdicke, die Korrosionsbeständigkeit und die Drehmomente bei der Verschraubung untersucht. Als Optimum der Versuchsreihen wurde ein Beschichtungssystem aus zwei Lagen Delta Protekt KL 100 und einer Schicht Delta Seal Silber identifiziert. Das Abschleudern sollte mit der Haupt-drehzahl 180 U/min und der Planetendrehzahl 2 U/min erfolgen. Das mit diesen Parametern erzielte niedrige Schichtgewicht trägt positiv zur abschließend aufgestellten CO2-Bilanz des Beschichtungsprozesses bei. Die Summe der Emissionen übersteigt jedoch den CO2-Ausstoß einer galvanischen Verzinkung.