Master-/Diplomarbeiten

Diverse Kundenanforderungen, die sich nicht zwangsläufig mit den gängigen Abstufungen eines standardisierten Getriebebaukastensystems decken, erfordern es, in einigen Fällen eine auf den Punkt Auslegung durchzuführen, um eine für den Kunden bestmögliche Getriebekonfiguration anbieten zu können. Um den dahinterliegenden heute noch aufwändigen und kostenintensiven Prozess im zugehörigen Order Engineering zu vereinfachen sind automatisierte und digitalisierte Auftragsabwicklungen solcher Sonderlösungen notwendig. Die vorliegende Arbeit leistet dabei einen Beitrag, sich diesem Ziel zu nähern, indem sie ein Konzept anbietet, die notwendigen Verzahnungskorrekturen eines Getriebes automatisiert zu bestimmen. Gerade die Korrekturermittlung stellt eine immer wiederkehrende Aufgabe in einem solchen Auslegungsprozess dar. Sie dient der Effizienz- und Leistungsdichtesteigerung der Getriebe und wird heute zumeist noch händisch durchgeführt. Gleichzeitig benötigt diese Form der Auslegung weitreichendes Expertenwissen und den Einsatz von Expertentools. Intelligente Computerprogramme wie Rikor (Ritzelkorrekturprogramm der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V.) bieten hierbei die Möglichkeit einer gezielten Korrekturauslegung. Die Kombination mit skriptbasierten Tools wie R (statistische Programmiersprache) ermöglicht es dann, Prozesse wie den Korrekturauslegungsprozess nachzubilden bzw. zu implementieren. Durch Einsatz von Standardkorrekturarten sind dabei geeignete Korrekturwerte und -arten für automatisch generierte Getriebe abzuleiten. Anschließend werden die aus den automatisch generierten Korrekturwerten folgenden Berechnungsergebnisse evaluiert. Die Daten aus dem vorangegangenen Arbeitsschritt dienen im Weiteren als Eingangsparameter für einen Regressionsalgorithmus. Dieser ist Teil der Erstellung eines Proof of Concept (Machbarkeitsnachweis) zur automatisierten Korrekturwertvorhersage. Dabei ist die Intention, die notwendigen Korrekturwerte anhand des Regressionsmodells bestmöglich vorherzusagen, anstatt immer wieder aufwändige Rikor-Berechnungen durchführen zu müssen. Dieser Versuch soll zeigen, ob die Parametervorhersage im betrachteten Anwendungsfall grundlegend möglich ist. Das Ziel ist damit eine Verkürzung der Rechenzeiten bei ähnlicher Aussagequalität und damit die Effizienzsteigerung des Getriebeauslegungsprozesses. Abschließend folgt eine Analyse der Ergebnisse und eine Einschätzung, ob der entwickelte Regressionsalgorithmus für die Korrekturparameterermittlung geeignet und damit der Proof of Concept erfolgt ist.

Die Systemmodellierung ist der übliche erste Ansatz in jedem Produktentwicklungszyklus. Er beginnt mit der Auswahl des Konzepts und der Überprüfung des Konzepts durch Simulationen. Das eigentliche Produkt wird auf der Grundlage des Konzepts entworfen. Das Produkt, in diesem Fall der Sensor, wird dann anhand von Simulationen validiert. Theoretisch muss sich das Produkt genauso verhalten wie das Modell. Mit der zunehmenden Komplexität und Leistung von Sensoren werden jedoch selbst nach der Verifizierung und Validierung des Sensorsystemmodells anhand aller möglichen Anwendungsfälle und Eingaben einige Messergebnisse mit dem tatsächlichen Produkt fragwürdig. Der Grund dafür könnte eine unzureichende Systemvalidierung oder ein Mangel an Simulationsdaten sein, mit denen die Messungen verglichen werden können, oder der Sensor könnte problematisch sein. Außerdem sind die meisten Labormessungen teuer und zeitaufwändig, da sie wiederholt werden müssen. Die Handhabung der Sensoren ist mit zunehmender Miniaturisierung der Sensoren extrem mühsam. Darüber hinaus wird ein erheblicher Teil der Zeit für die Charakterisierung und Auswertung der Testergebnisse aufgewendet, um die Leistungsparameter des Sensors zu ermitteln. Daher ist es hilfreich, Informationen darüber zu haben, ob das Ergebnis eines Tests eine Analyse wert ist. Diese Arbeit befasst sich erstens mit der Validierung des Systemmodells und zweitens mit der Verbesserung der Arbeitsmethodik durch den Vergleich der Simulations- und Messdaten, die beide Zeitreihen sind. Es wird eine Einführung in die Modellierung von MEMS (mikroelektromechanische Struktur) und Sensorausleseschaltungen gegeben. Zunächst wurde das Modell des Sensorsystems untersucht und modifiziert, um verschiedene Rauschquellen zu berücksichtigen. Anschließend wurden die Änderungen anhand von Messungen validiert. Zweitens wurde ein MATLAB-Skript zum Vergleich von Messung und Simulation durch Merkmalsextraktion implementiert. Ein Vergleich konnte für verschiedene Leistungsparameter durchgeführt werden. Als Beispiel wurde für den Nachweis des Konzepts der Diplomarbeit das Rauschverhalten des Sensors gewählt. Das Validierungsergebnis zeigte, dass das Modell im Hinblick auf das Rauschen noch verbessert werden kann. Einige der aus beiden Daten extrahierten Merkmale wiesen Ähnlichkeiten auf.

Die KME Mansfeld GmbH ist ein Hersteller von Kupferhalbzeugen mit Sitz im Süden Sachsen-Anhalts in Hettstedt. Das Produktportfolio von KME am Standort umfasst neben Walzerzeugnissen Strangpressprodukte wie Stangen und Profile aus Kupfer und Kupferlegierungen. Zur Überprüfung und Gewährleistung einer adäquaten Produktqualität werden die Stangen vor der Verpackung und Auslieferung einer Qualitätsüberprüfung unterzogen. Für ein spezielles Sortiment wird hierzu eine Wirbelstromprüfanlage verwendet. Diese Prüfanlage muss hinsichtlich ihrer Messsensibilität überprüft und kalibriert werden, um so als valides Fehlerdetektionssystem verwendet werden zu können. Durch diese Vorarbeit ist die Voraussetzung gegeben, dass eine anschließende Variation von Fertigungsprozessparametern beim Strangpressen mit dem Ziel der Produktqualitätsverbesserung, bewertet werden kann.

Der strukturelle Wandel zur Elektromobilität ist nicht nur in der Automobilindustrie, sondern ebenfalls in der Nutzfahrzeugbranche zu beobachten. Vor allem im Segment der leichten Nutzfahrzeuge mit einem zulässigen Gesamtgewicht von 3,5 t steigt die Anzahl an Modellen mit elektrischem Antriebsstrang. Allerdings führt das Mehrgewicht der Antriebsbatterie in Kombination mit dem zulässigen Gesamtgewicht zu einer reduzierten Nutzlast und Wirtschaftlichkeit der Fahrzeuge. Neben den Batteriezellen bietet insbesondere das vorwiegend aus Aluminium und Stahl gefertigte Antriebsbatteriegehäuse Potenzial für Leichtbau, welches durch den Einsatz von Faserverbundkunststoffen (FVK) genutzt werden kann. In der vorliegenden Arbeit werden zunächst die Grundlagen von FVK und batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen sowie der Aufbau von Antriebsbatterien und deren gesetzliche Anforderungen erläutert. Auf Basis bestehender Anwendungen von FVK im Bereich von Batteriegehäusen werden innovative Konzepte mit im Pultrusionsverfahren gefertigten FVK-Komponenten entwickelt. Anschließend erfolgt eine Bewertung nach mechanischen, wirtschaftlichen und nachhaltigen Kriterien. Als Konzept mit dem höchsten Potenzial geht ein Gehäuse mit Komponenten aus Aluminium, CFK und GFK hervor, welches eine Gewichtsersparnis von 15,2 kg und 15,3 % gegenüber der Referenz aus Aluminium aufweist. Weiterhin wird eine Vorauslegung mithilfe analytischer und numerischer Methoden vorgenommen. Abschließend erfolgt die Entwicklung eines vollständigen Antriebsbatteriekonzeptes, bestehend aus dem Batteriegehäuse, HV-Komponenten sowie einem Kühlsystem. Insgesamt wird gezeigt, dass sich pultrudierte FVK für den Leichtbau von Antriebsbatteriegehäusen eignen. Für eine tatsächliche Anwendung bedarf es allerdings weiterer Auslegungs- und Validierungsmaßnahmen.

Das Aufkommen von Technologie und Innovation hat den Horizont für den Einsatz neuer Materialien und neuer Ideen zur Verbesserung der Leistung von Batterien erweitert. Das Hauptaugenmerk der Innovatoren liegt auf der Herstellung einer hocheffizienten Batterieelektrode, wobei die Forscher nun nach neuen Parametern suchen, die sie manipulieren können, um eine hochwertige Leistung und einen höheren Durchsatz zu erzielen. Diese Eigenschaften lassen sich anschaulich in ihre Strombelastbarkeit, die anhand ihrer charakteristischen Strom-Spannungs-Kurven oder sozusagen ihrer Speicherkapazität für eine große Anzahl von Zyklen gemessen werden kann, ihre Langlebigkeit, ihre hohe Strombelastbarkeit, ihre Lade- und Entladekurven, den Gehalt an interkaliertem Material (Gewichtsverhältnisse), eine größere Bandlücke, eine größere Oberfläche der Ioneninterkalation, einen geringeren Zerfall, eine höhere Stabilität usw. einteilen. Unsere Methode sieht eine einfache Zerkleinerung von MoS2 und Substituenten wie Pektin, Lignin und Gummi Arabicum vor, gefolgt von einer konventionellen Exfoliation in flüssiger Phase in flüchtigen Lösungsmitteln, die zu einer effizienten Exfoliation von MoS2-Nanoblättern in halbleitender hexagonaler Phase (2H-MoS2) und zur gleichzeitigen Herstellung von zweidimensionalen (2D) Nanokompositen aus 2H-MoS2 und Pektin/Gummi/Lignin führt. Darüber hinaus ermöglicht die Pektin-basierte Interkalation eine sehr schnelle Extraktion aus der Kathode, was eine höhere Mobilität der geladenen Ionen in Verbindung mit besseren Adsorptionselektroden gewährleistet, wodurch die Strombelastbarkeit von Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) erhöht wird. Es wurde auch nachgewiesen, dass diese Nanokomposite gute Anodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) sind, die bei einer Karbonisierungstemperatur von 1100℃ eine anfängliche Kapazität von 410 mAhg-1 aufweisen, die bei 700℃ allmählich auf 500 mAhg-1 ansteigt und schließlich bei einer Karbonisierungstemperatur von 900℃ einen sehr hohen Wert von 560 mAhg-1 erreicht. Wir haben uns auch bewusst bemüht, einen Kompromiss zwischen der Speicherkapazität und der Haltbarkeit der Elektrode zu finden, so dass unser Ziel darin besteht, die reversible Speicherkapazität zu erhöhen, ohne Kompromisse bei der Leistung, Haltbarkeit und Lebensdauer der Batterie einzugehen. Das Hauptaugenmerk unseres Projekts liegt darauf, zu entschlüsseln, wie kritisch der Einfluss der beteiligten Prozesse ist, im Wesentlichen die Anwendung schierer Kräfte beim Mahlen, die Flüchtigkeit und die Siedepunkte der Lösungsmittel, die Geschwindigkeit der zentrifugierten Dispersionen, um eine optimale sedimentierte Lösung zu erhalten, das Verhältnis der Rückhaltung der Überstände, um die Menge der abgeschälten Nanoblätter zu erhalten usw. Die Dauer, in der die einzelnen Prozesse ausgeführt werden, ist ein weiterer wichtiger Faktor für die Ausbeute. Daher haben wir Daten auf der Grundlage von Prozessparametern wie Mahldauer, Mahllösungsmittel, Beschallungsdauer, Anzahl der verwendeten Lösungsmittel und Zentrifugationsrate auf die erhaltenen ultradünnen 2D-Nanoblätter extrapoliert. Darüber hinaus werden Analysen und Schlussfolgerungen nach sorgfältiger Untersuchung des Absorptionsspektrums (UV-Vis-Analyse), der Rasterelektronenmikroskopie (SEM-Analyse), der Rasterkraftmikroskopie (AFM-Analyse), der Röntgenbeugung (XRD-Analyse) und der Leistungsmerkmale (Lade- und Entladezyklen) gezogen. Das Ziel dieser Verteidigung ist es, eine hocheffiziente Batterieelektrode herzustellen, die eine gute Stabilität für mehrere Zyklen, vergleichbare Abklingraten, eine hohe Speicherkapazität für noch größere Ionen, eine große Oberfläche für eine schnelle Ionentransferkinetik, optimale interkalierende Substituenten zur Vermeidung von Restacking und Verschlechterung der Elektrode und zur Nutzung der Eigenschaften eines Übergangsmetalldichalcogenids wie MoS2 bietet, indem es gerichtlich verwendet wird, um ultradünne Nanoblätter mit verschiedenen Tensiden und Lösungsmitteln zu exfolieren, um ein 2D-Nanokompositmaterial zu erhalten, das in SIBs verwendet werden kann.