Publikationen

Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit Grundsatzuntersuchungen zum Laserstrahlschweißen von Kupferwerkstoffen mit der Zielsetzung, die optimalen Schweißparameter für verschiedene Versuchsvarianten zu finden. Für die Versuche wurde ein Trumpf Scheibenlaser mit einer Wellenlänge von 1030 nm verwendet. Durch optische Prüfungen und metallographische Untersuchungen wird aus der Versuchsreihe für jede Versuchsvariante der beste Parametersatz ermittelt. Mit den auf diese Weise selektierten Schweißproben werden weiterführende Untersuchungen durchgeführt, die für den späteren Anwendungsfall von Bedeutung sind. Hierzu zählen Härteprüfungen, Zugversuche, Bestromungsversuche, Temperaturmessungen während des Schweißprozesses sowie Restschmutzanalysen. Die gewonnenen Ergebnisse der Bachelorarbeit sollen den Abteilungen Entwicklung und Arbeitsvorbereitung der Division E-Mobility der ZF Friedrichshafen AG als Grundlage zur Auswahl geeigneter Anbindungsgeometrien und Prozessparameter für die Großserienfertigung dienen.

Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Analyse und Optimierung der Verschleißeigenschaften eines Drehtellers in Anlagen zur Verarbeitung von pharmazeutischen Objekten. Bei den Objekten handelt es sich um Injektionsflaschen aus Hüttenglas. Die Vials und der Drehteller verschleißen sich gegenseitig. Diese Arbeit befasst sich ausschließlich mit dem Verschleiß des Drehtellers. Aufgrund des Betriebs im Reinraum sind vor allem die Verschleißpartikel problematisch. Ziel dieser Arbeit ist es, den Verschleiß, und damit die Anzahl an Partikeln, zu reduzieren. Neben der Formulierung der Problemstellung, ist der Stand der Technik zu betrachten. Das Resultat dieser Betrachtung sind Einflussfaktoren, die das tribologische System aus Vials und Drehteller beeinflussen. Die Komponenten des tribologischen Systems, die Vials und der Drehteller, werden jeweils separat betrachtet und analysiert. Die Vials bestehen aus Borosilikatglas, dem Standard für pharmazeutische Primärverpackungen. Die Reaktionen der Glasoberfläche mit der Umgebung und das Sterilisieren haben einen Einfluss auf das tribologische Verhalten der Vials. Diese Faktoren werden im Zuge der Analyse näher erläutert. Für die Drehteller stehen einige Varianten zur Verfügung. Aktuell im Einsatz sind Drehteller aus Edelstahl (X2CrNiMo17-12-2), Polyethylen und mit einer Tfe-Lok®-Beschichtung. In den später durchgeführten Versuchen werden zusätzlich Drehteller aus Polyoxymethylen, Polytetrafluorethylen und Polyetheretherketon getestet. Die Versuchsergebnisse sind makroskopisch und mikroskopisch zu betrachten. Auf Grundlage der Versuche werden alternative Drehtellerlösungen vorgeschlagen. Es handelt sich um Beschichtungen, Werkstoffverbunde und weitere Lösungen. Auf die Zusammenfassung und die Schlussfolgerung folgt ein Ausblick. Hier werden Schritte für die Weiterführung des Projektes vorgeschlagen.

Die Natur zeigt in zahlreichen Strukturkonzepten wie mit Hilfe von zellularen Materialien Leichtbau funktionieren kann. Dabei werden Strukturen von Pflanzen und Tieren auf eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig geringem Eigenwicht erzielt. Des Weiteren kann mit Hilfe einer zellularen Struktur eine gute Absorption mechanischer Energien infolge von Stoßbelastungen realisiert werden, wie beispielsweise bei der Schale von Pomelofrüchten (Citrus Maxima). In der Technik wird dieses Konzept zunehmend aufgegriffen, bedarf aber anhaltender Verbesserung in Bezug u.a. auf die mechanischen Eigenschaften und die Energieabsorption, um einen Einsatz in und als Strukturbauteil zu ermöglichen. Geschlossenporige Aluminiumschäume weisen zwar eine gute Energieabsorption bei geringem Gewicht auf, zeigen aber Schwächen bei den mechanischen Eigenschaften auch in Abhängigkeit der stark unterschiedlichen Porengrößen. Insgesamt zeigen 31 Parameter einen Einfluss auf das Aufschäumverhalten von geschlossenporigem Aluminiumschaum. Der Viskosität der Aluminiumschmelze im Aufschäumprozess kommt dabei zukünftig eine besondere Bedeutung zu. In diesem Vortrag werden aktuelle Untersuchungen zur Herstellung über die pulvermetallurgische Route und zur Eigenschaftsoptimierung von AMFC (Aluminum-Matrix-Foam-Composite) vorgestellt.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine Korrelation zwischen dem Bedeckungsgrad einer Zinkschicht auf einer Aluminiumoberfläche (EN-AW 3XXX) vor und nach dem Hartlöten zu analysieren und zu bewerten. Die Quantifizierung des minimal nötigen Bedeckungsgrades vor der Wärmebehandlung sowie die Untersuchung grundlegender Mechanismen, welche die Verteilung des Zinks beeinflussen, waren weitere Ziele. Zu diesem Zweck wurden Grundlagenversuche in einem Labor-Glasofen durchgeführt. Die Auswirkung von Flussmittel auf die Benetzung des Substrates mit Zink während des thermischen Fügens in kontrollierter Atmosphäre wurde visuell betrachtet und bewertet. Des Weiteren wurde in diesem Ofen die Temperatur-Zeitabhängigkeit der Zinkdiffusion untersucht. Die Bewertung erfolgte metallografisch an geätzten Schliffproben. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Flussmittel nötig ist, um eine ausreichende Benetzung der Substratoberfläche mit Zink zu gewährleisten. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass eine signifikante Zinkdiffusion in den Grundwerkstoff größtenteils zwischen der Schmelztemperatur des Zinks und der Arbeitstemperatur des Flussmittels stattfindet. Weitere Untersuchungen fanden in einem Durchlaufofen unter kontrollierter Atmosphäre statt. Verwendung fanden verschiedene Aufbauten aus un-, be- und teilbeschichteten Rohren sowie zinkhaltigen und -freien Lamellenmaterialien. Es wurden Proben mit jeweils einer, sowie Proben mit zwei zinkhaltigen Komponenten zu einem Netzsegment aufgebaut und wärmebehandelt. Nach dem Löten wurden rasterelektronische Analysen an den Oberflächen sowie der Rohrwandungen im Schliff durchgeführt. Diese wurden durch metallografische Untersuchungen an polierten und geätzten Querschliffen ergänzt. Festgestellt werden konnte, dass der oberflächliche Zinkgehalt an einem Segment aus zinkhaltiger Lamelle und zinkbeschichteten Rohr zu 40 % - 50 % aus der Lamelle resultiert. Das verdampfende und kondensierende, beziehungsweise sublimierende und resublimierende Zink wird als gleichmäßig verteilter Niederschlag auf dem Aluminiumsubstrat abgeschieden. Der vermutete Einfluss der Kapillarwirkung auf die schmelzflüssige Zinkschicht beim Löten konnte durch oberflächliche Untersuchungen nicht bestätigt werden. Allerdings zeigen die Analysen an Schliffen, dass der tiefenabhängige Zinkgehalt am Lötmeniskus bei der Verwendung eines zinkfreien Lamellenwerkstoffs erhöht ist. Was die Korrelation des Bedeckungsgrades vor und nach dem Löten angeht, so wurde die Annahme getroffen, dass ein Bedeckungsgrad nach dem Löten durch den Zinkgehalt auf und in dem Substrat sowie anhand der Gestalt der Diffusionszone charakterisiert werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass der oberflächliche Zinkgehalt linear mit dem Bedeckungsgrad vor dem Löten korreliert. Die Schichtmorphologie vor dem Löten hat keinen Einfluss auf diese Abhängigkeit. Die Quantifizierung des minimalen Bedeckungsgrades ergab 30 % zur Einhaltung des oberflächlichen Zinkgehalts, 60 % zum Erreichen des tiefenabhängigen Zinkgehalts und > 75 % zur Ausprägung eines ebenen Tiefenprofils. Das Ziel, den Bedeckungsgrad vor und nach dem Löten zu analysieren und zu bewerten, sowie den minimalen Bedeckungsgrad vor dem Löten zu quantifizieren wurde erreicht. Allerdings wurde festgestellt, dass eine applikationsbedingte Abhängigkeit zwischen dem Bedeckungsgrad und dem Schichtgewicht besteht. Der Zinkgehalt an und in dem Substrat sowie die Gestalt des Tiefenprofils nach dem Löten sind vor allem von dem Temperatur-Zeit-Verlauf der Wärmebehandlung abhängig. Somit sind Aussagen über einen minimalen Bedeckungsgrad als prozessspezifisch anzusehen und können somit nicht pauschalisiert werden.

Die Arbeit behandelt Untersuchungen an flächigen, thermoplastischen, faserverstärkten Halbzeugen. Vor allem soll dabei die Möglichkeit einer Substitution von Glasfasern durch pflanzliche Naturfasern und die entsprechende Additivierung von Kunststoffen für den Gebrauch mit pflanzlichen Naturfasern betrachtet werden. Dazu werden verschiedene Additive in verschiedenen Dosierungen auf Schneckenanlagen zu Kunststoffen und in einem nächsten Schritt zu Organoblechen verarbeitet. An den Kunststoffen werden thermische und mechanische, an den Organoblechen chemische und mechanische Prüfungen durchgeführt. Die Ergebnisse erlauben eine Aussage über die Eignung der jeweiligen Additive und deren Dosierung. Als Ergebnis wird eine an den Einsatz von pflanzlichen Naturfasern angepasste Kunststoffformulierung herausgestellt. Das daraus hergestellte Organoblech hat die im Rahmen der Betrachtungen höchsten mechanischen Eigenschaften.