Untersuchungen der Adsorptivität und Reaktivität von Titandioxid-Katalysatoren. - Ilmenau. - 66 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024
Titandioxid ist ein Halbleiter. Die Bildung von Elektronen-Loch-Paaren durch Licht macht es zu einem Photohalbleiter. Durch seine Bandlücken in der Anatas- und Rutil-Konfiguration ist Titandioxid ein geeigneter Katalysator, um den oxidativen Abbau von Mineralölkohlenwasserstoffen zu begünstigen. Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt „SolardetoX“ greift diese Eigenschaft auf und nutzt sie für schwimmfähige, mit Titandioxid beschichtete, Blähglaskugeln. In der vorliegenden Arbeit wird der Sachverhalt untersucht, dass die Reaktivität der auf unterschiedliche Weise hergestellten Katalysatorkugeln in Abhängigkeit ihrer Herstellungsmethode und der damit verbundenen Variablen stark schwankt. Es wird mittels verschiedener mikroskopischer Untersuchungen und der Charakterisierung der hydrophilen Eigenschaften an der Kugeloberfläche gezeigt, welche herstellungsbedingten Eigenschaften eingestellt werden können, die die Reaktivität der Katalysatoren beeinflussen. Die Adsorptivität ist ein maßgeblicher Teil der Reaktivität eines heterogenen Katalysators. Durch die Steigerung der Adsorptivität wird unter Umständen die Reaktivität erhöht. Die mit zwei großtechnischen Beschichtungsmethoden hergestellten Proben weisen signifikante Unterschiede in ihrer Oberflächenbeschaffenheit auf, aus denen die spezifische Adsorptivität und Reaktivität abgeleitet werden.
Analyse und Evaluation der Verarbeitbarkeit und Funktionalität PFAS-freier Folien für Druckausgleichselemente. - Ilmenau. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024
Die Produktion von Sensoren in der Automobilindustrie unterliegt zahlreichen Anforderungen und Vorschriften. Elektronikgehäuse sind für die Kompensation von Temperaturunterschieden mit Druckausgleichselementen ausgestattet. Darin verbaute Membranen enthalten per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS). PFAS werden zukünftig durch die Europäische Chemikalienagentur (ECHA) beschränkt /Eur24/. Eine Marktrecherche zu PFAS-freien Membranen erfolgt zu Beginn der Bachelorarbeit. Alternative Probekörper werden durch systematisch ausgewählte Prüfmethoden auf ihre Funktionalität und die Verarbeitbarkeit der Membranen mittels Ultraschallschweißen getestet. Es zielt auf einen Vergleich zwischen Serienmembran und PFAS-freier Membran. Das Ergebnis umfasst eine Stellungnahme zu der Verarbeitbarkeit und der Funktionalität von Membranen, die von der ECHA toleriert und von der Produktion anerkannt werden.
Benchmark zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von Duroplasten mittels Bornitrid. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024
Bornitridfüllstoffe besitzen aufgrund ihrer sehr hohen intrinsischen Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher elektrischer Isolation großes Potential für Anwendungen im Bereich des thermischen Managements von leistungselektronischen Bauteilen. Gerade in Verbindung mit einer Polymermatrix entfalten Bornitridfüllstoffe ein großes Nutzenpotential. In dieser Bachelorarbeit wurden sieben kommerziell erhältliche Bornitridpulverfüllstoffe in eine Epoxidharzmatrix eingebracht, um den Einfluss verschiedener Füllgrade und Partikelgeometrien auf die Wärmeleitfähigkeit des entstehenden Partikelverbundes zu untersuchen. Der höchste untersuchte Füllstoffgehalt von 30 wt% wurde anhand der berechneten, maximal verarbeitbaren Viskosität des RTM-Verfahrens festgelegt. Weiterhin erfolgte eine ausführliche Recherche zum aktuellen Stand der Technik im Bereich wärmeleitfähige Modifikation von Kunststoffen. Die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit erfolgte mittels LFA-Messung anhand hergestellter Probekörper in „Through-Plane“-Richtung. Die Viskosität wurde mithilfe eines Rotationsrheometers gemessen. Weiterhin erfolgte eine Strukturuntersuchung der Füllstoffsysteme mittels REM. Hierbei konnte gezeigt werden, dass eine Steigerung des Füllstoffgehaltes immer einen Anstieg der Wärmeleitfähigkeit sowie der Viskosität des Partikelverbundes mit sich bringt. Ein allgemeingültiger Zusammenhang zwischen Partikelgeometrie und der sich ergebenen Wärmeleitfähigkeit der Partikelverbunde konnte nicht hergestellt werden. Die höchste Wärmeleitfähigkeit von λ50 ˚C = 1,269 W/mK wurde mittels kombinierter Zugabe von Bornitrid-Agglomeraten und Bornitrid-Flakes erreicht. Dadurch konnte eine Wärmeleitfähigkeitssteigerung der Epoxidharzmatrix von etwa 383 % realisiert werden. Es zeigte sich, dass eine Kombination von verschiedenen Partikelgeometrien die Wärmeleitfähigkeit des Partikelverbundes effizienter steigern kann als einzeln eingebrachte Füllstoffe bei identischem Füllstoffgehalt.
Auswirkungen verschiedener SiO2-Rohstoffe auf das Schmelzverhalten von Lithiumborosilicatgläsern. - Ilmenau. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024
In den letzten Jahrzehnten hat die Wiederverwendung von Glasrohstoffen zum Erschmelzen neuer Gläser stetig an Bedeutung gewonnen. Im Fall des Glassystems Li2O–B2O3 – Si2O, aus der Gruppe der oxidischen Silikatgläser, wird in dieser Arbeit der Einfluss der Ausgangsstoffe Quarzsand und Kieselglas in verschiedenen Korngrößen zwischen Scherben und Pulver auf das Einschmelzverhalten und die Homogenität im Glaserzeugnis eines Lithium-Borosilicatglases der Zusammensetzung 58 mol% SiO2 - 33 mol% Li2O - 9 mol% B2O3 überprüft. Nach Evaluation der Ergebnisse der Siebanalysen wurden ein Quarzsand der Fa. Quarzwerke GmbH und Kieselglas aus Ausschussbeständen der Fa. Raesch Quarz GmbH ausgewählt, um als SiO2-Ausgangsstoffe zu dienen. Diese Arbeit ist Teil der Grundlagenforschung im LBS-System an der Technischen Universität Ilmenau mit Fokus auf Entmischungs- und Kristallisationseffekte, die hohe Homogenität erfordern. An gegossenen Glasproben (stets selbe Zusammensetzung) werden verschiedene Charakterisierungsmethoden wie Spektrophotometrie, Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC), Dichtemessung nach Archimedes und das Schattenverfahren durchgeführt, um die Homogenität der Gläser zu bestimmen und Rückschlüsse auf die Einflüsse der verwendeten SiO2-Ausgangsstoffe und deren Korngröße zu ziehen. Die bestimmten Dichten der Glasproben reichten beispielsweise von 2,373 bis 2,459 g cm^−3, während eine Glasübergangstemperatur zwischen 480 and 485 ˚C für die Proben mit Quarzsand und zwischen 486 und 490 ˚C für die Proben mit Kieselglas bestimmt wurde. Ebenso wurde durch die Analysen bestätigt, dass unabhängig vom verwendeten Ausgangsstoff und unter Berücksichtigung möglicher Fehlereinflüsse Gläser der selben Zusammensetzungen geschmolzen wurden. Durch Anwendung vom Schattenverfahren wurden makroskopische Schlieren im Glas sichtbar gemacht, dabei konnte eine Tendenz zu stärker ausgeprägten Schlieren an Scheiben aus der Zylinderspitze der einzelnen Proben bestimmt werden.
Mikrostruktur und Konstitution wärmebehandelter Mn-X-Beschichtungen für den Presshärtestahl 22MnB5. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024
Diese Arbeit untersucht den potentiellen Einsatz von Mangan als Alternative zu Zink- oder Aluminium-Silizium-Beschichtungen (AS-Schichten) für Presshärtestähle. Die hergestellten Mangan bzw. Manganbasisbeschichtungen werden bezüglich ihrer Mikrostrukturen und Konstitutionen untersucht. Hierzu werden 20 µm dicke Mn/MnX-Beschichtungen auf 22MnB5 Platinen galvanisch abgeschieden. Die galvanische Abscheidung erfolgt als reine Manganschicht, koabgeschiedene Mangan-Kupfer-Legierungsschicht und zwei Mangan-Kupfer-Schichtsysteme, bei denen zuerst Kupfer, als Zwischenschicht, und dann Mangan abgeschieden werden. Anschließend werden die Platinen wärmebehandelt und in Flüssigstickstoff abgeschreckt. Bei der Wärmebehandlung wird die Temperatur, Haltezeit und Ofenatmosphäre variiert. Die Schichten werden metallographisch hinsichtlich ihrer Struktur dokumentiert und mittels eines Rasterelektronenmikroskops mit EDX-Messungen bezüglich ihrer Elementverteilungen analysiert. Zusätzlich wird die Härte der unterschiedlichen Schichten bzw. Phasen mit einem Mikro-Härteprüfer bestimmt. Die Analyseverfahren zeigen, dass die duktile hochtemperatur γ-Phase des Mangans durch Legieren mit Cu und der Diffusion von Fe während der Wärmebehandlung bis auf Raumtemperatur stabilisiert werden kann. Somit liegt nicht die spröde α-Phase des Mangans wie im Ausgangszustand vor.
In-Situ Messungen der inneren Spannungen von Nickelüberzügen in Abhängigkeit von Anodenmaterial und Elektrolytzusammensetzung. - Ilmenau. - 130 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024
Im Zuge dieser Bachelorarbeit wurden In-Situ Messungen der mechanischen inneren Spannungen an galvanischen Nickelüberzügen durchgeführt. Hierfür wurden Nickelabscheidungen in einem selbst entwickelten Versuchsaufbau unter verschiedenen Abscheideparametern durchgeführt. Die Messungen der inneren Spannungen erfolgte mittels eines Internal-Stress-Meter (IS-Meter) parallel zur Abscheidung. Für die Abscheidungen wurden drei Materialvariationen von hochreinem Nickel der Firma hpulcas GmbH sowie kommerzielle Nickelcoins als Anodenmaterial verwendet. Für jedes Anodenmaterial wurden Abscheidungen mit zwei verschiedenen Netzmitteln (PFOS und SDS) sowie vier verschiedenen Natriumbromid-Konzentrationen durchgeführt, um die Effekte von Anodenmaterialien und Elektrolytzusammensetzungen auf die inneren Spannungen zu charakterisieren. Außerdem wurden licht- sowie rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von den Schichten und den Anoden angefertigt. Des Weiteren wurden die Anoden und Kathodenpotentiale während der Abscheidungen untersucht und es erfolgte die Bestimmung und Auswertung der kathodischen und anodischen Stromausbeuten, sowie die Analyse des pH-Wertes. Zudem wurden mehrere Elektrolytproben mittels gravimetrischer Titration untersucht. Die Messungen zeigten, dass die Anodenmaterialien von hpulcas nur bei bestimmten Elektrolytzusätzen geringere innere Spannungen verursachen. Außerdem zeigten die Untersuchungen, dass Natriumbromid innere Spannungen verursacht, sowie, dass PFOS als Netzmittel höhere innere Spannungen erzeugt als SDS. Die erzielten Erkenntnisse ermöglichen Perspektiven für weiterführende Untersuchungen bei abweichenden Abscheideparametern.
Electrochemical nucleation and growth of aluminum in an AlCl3-[EMIm]Cl ionic liquid containing nickel nanoparticles. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Die galvanische Abscheidung von Aluminium-Nickel Schichten für die Anwendung als reaktive Dispersionsschichten wurde durchgeführt in einer AlCl3:[EMIm]Cl (1.5:1) ionischen Flüssigkeit (IL) mit beigefügten Ni Nanopartikeln (NPs). Verschiedene elektrochemische und Charakterisierungsverfahren wurden angewendet, um den Einfluss der Ni NP-Konzentration auf den elektrochemischen Abscheidungsprozess zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine dreidimensionale Keimbildung mit diffusionskontrolliertem Wachstum bei der Abscheidung von Al und Al-Ni auftritt und die instantane Keimbildung der vorherrschende Keimbildungsmechanismus für beide Schichttypen ist. Die Dichte aktiver Keimbildungszentren nimmt mit steigender Konzentration an Ni NPs zu, was zu feineren Körnern führte. Ein negativer Nebeneffekt der NPs war die Bildung von schlecht leitfähigen Verbindungen in der Schicht, aufgrund der Verfestigung des Elektrolyten. Die Menge dieser Verbindungen erhöhte sich mit der NP-Konzentration und dem Abscheidungspotential. Die partielle Auflösung von Ni NPs in der IL führte zur galvanischen Abscheidung von Ni2+-Ionen, wodurch die Unterpotentialabscheidung von Al ausgelöst wurde. Dadurch konnten Schichten bei einem Abscheidungspotential hergestellt werden, welches unter dem der Bulk Al-Abscheidung liegt. Die so abgeschiedenen Schichten hatten einen höheren Ni Anteil (≈40 Gew.-% aus einem Bad mit 20 g/L Ni NPs), eine glattere Oberfläche und zeigten eine geringere Tendenz zur Elektrolytverfestigung. Mit Röntgendiffraktometrie konnte die Bildung von intermetallischen Al-Ni Phasen ausgeschlossen werden. Die Reaktivität der hergestellten Schichten wurde mit Messungen des Wärmestroms bei Temperaturänderung nachgewiesen, die untersuchten Proben zeigten jedoch keine selbst ausbreitenden Reaktionen.
Einfluss der Lichtverhältnisse auf die Erkennungsrate von Spritzgießfehlern mittels visueller Sensoren. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Das Spritzgießen ist eine der fortschrittlichsten Verarbeitungstechnologien und bildet einen bedeutenden Anteil in der kunststoffverarbeitenden Industrie. Um die hohe Qualität der Produkte zu gewährleisten, kann der Einsatz von Bildverarbeitungssensoren bei der Qualitätsprüfung der industriellen Kunststoffproduktion die Effizienz der Prüfung erheblich steigern. Ziel dieser Arbeit ist es, die Faktoren der Beleuchtungsbedingungen zu untersuchen, die die Erkennungsrate von Spritzgussfehlern beeinflussen und mögliche Optimierungslösungen für die industrielle Produktion zu finden. Auf Basis einer Literaturrecherche werden die Grundlagen der Bildverarbeitung, der Beleuchtungstechniken und der Eigenschaften von Spritzgießfehlern betrachtet. In einem Vorversuch wurden Bilder von fehlerhaften Spritzgussteilen unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen ausgewertet, um die möglichen Einflussfaktoren auf die Fehlererkennungsrate zu analysieren. Im Hauptversuch wurde anhand von Spritzgussteilen mit Farbschlieren und unvollständiger Formfüllung der Einfluss der Farbtemperatur und des Einfallswinkels der Lichtquelle untersucht. Zudem wurde der Einfluss von Fremdlicht in der Versuchsumgebung analysiert. Schließlich wurden basierend auf den Versuchsergebnissen mögliche Optimierungen und Ansätze für zukünftige Versuche vorgestellt.
Analyse des Vernetzungsverhaltens photoreaktiver Harzsysteme während der Imprägnierung textiler Halbzeuge. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Diese Bachelorarbeit gibt zunächst einen Überblick zu relevanten Sachverhalten von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere der Permeabilität, der Verarbeitung im Resin Transfer Molding Verfahren (RTM) und der Porenentwicklung und -migration. Zur Untersuchung des Vernetzungsverhaltens eines photoreaktiven Harzsystems wurden Aushärteversuche durchgeführt. Dazu wurde ein Versuchsaufbau verwendet, der es ermöglicht die Fließfront während des Injektionsvorgangs einzufrieren. Als Matrix diente das UV-reaktive Harz „3D-Rapid Resin“ der Marke Monocure 3D, welches durch Strahlung mit einer Wellenlänge von 225–420 nm polymerisiert wird. Als Verstärkungsgewebe wurde Glasfasergewebe in Leinwandbindung mit einem Flächengewicht von 163 g/m² und 389 g/m² eingesetzt. Mit Hilfe der dielektrischen Analyse gelang es die charakteristischen Aushärtekurven des UV-Harzes aufzunehmen. Daraus ließ sich die minimal notwendige Aushärtedauer bis zum Überschreiten des Gelpunkts bestimmen. Außerdem konnte die Idealpositionierung der Aushärteleuchte ermittelt werden. Ferner wurden der Einfluss vom Flächengewicht des Gewebes, der Anzahl der Gewebelagen der Probe sowie des Abstands der Aushärteleuchte aufgenommen. Für die Abnahme der im Versuchsaufbau ankommenden Beleuchtungsstärke, wurde ein mathematischer Zusammenhang zum Abstand der Aushärteleuchte gefunden.
Auslegung eines InLine-Rheometers für Spritzgießmaschinen. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Moderne Spritzgießmaschinen sind in der Lage hochpräzise Bauteile in hoher Stückzahl für die Kunststoffindustrie zu produzieren. Der Gestaltungsfreiheit der Bauteile sind dabei kaum Grenzen gesetzt. Zudem ist auf der breiten Materialpalette für fasst jede Anwendung die richtige Eigenschaft zu finden. Die wahre Stärke des Spritzgießprozesses liegt allerdings nicht nur in der Flexibilität und Schnelligkeit, sondern insbesondere in der Wiederholbarkeit. Der Spritzgießprozess als solches, ist hinreichend genau erforscht, um gute Bauteilqualitäten in hohen Stückzahlen mit wenig Ausschuss erzielen zu können, weshalb die weitere Optimierung des grundsätzlichen Prozesses nicht zielführend ist. Speziell die schwankenden Materialeigenschaften innerhalb einer Charge sind für steigende Ausschusszahlen verantwortlich und belasten daher die Kunststoffindustrie enorm. Insbesondere Bauteile die aus recycelten Kunststoffen hergestellt werden, sind von dieser Problematik betroffen, da je nach Recyclingprozess die Materialeigenschaften unterschiedlich stark schwanken können. Somit kann der Spritzgießprozess nicht optimal eingestellt werden. Die Motivation dieser wissenschaftlichen Arbeit ist die Steigerung der Effizienz und Qualität des Spritzgießprozesses durch kontinuierliche Überwachung der Viskosität mittels eines InLine Rheometers. Basierend auf der Rheologie von Kunststoffen im Spritzgießprozess, wird ein InLine Rheometer ausgelegt, welches durch InLine Druck- und Temperaturmessung das Materialfließverhalten der Kunststoffschmelze während des Einspritzprozesses überwachen soll. Basierend auf wissenschaftlicher Literatur wurden Druck-, Durchsatz- und Temperaturverhalten von Kunststoffschmelzen in Spritzgießmaschinen analysiert und Einflussmöglichkeiten auf die Viskosität der Schmelzen erarbeitet. Weiterhin wird ein Überblick über den Kenntnisstand der InLine Messungen gegeben. Diese Literaturrecherche bildet die wissenschaftliche Grundlage zur mathematischen Modellierung, sowie zur Auswahl geeigneter Komponenten. Weiterhin wurden die Erkenntnisgewinne genutzt, um ein ingenieurgerechtes Lastenheft mit technischem Entwurf zu erstellen. Das InLine Rheometer ist für die Spritzgießmaschine KM 160 CX ausgelegt und wird an den Zylinderkopf, der direkt hinter der Plastifiziereinheit verschraubt ist, montiert. Die Geometrie und Abmessungen der Kanalführung wurden so original wie möglich konzipiert, um höhere Druckverluste, aufwendige Montage und Bauraumprobleme zu vermeiden. Lediglich die Abmessungen der einzelnen Bauteile haben sich aufgrund der benötigten Sensorik deutlich verändert. Sind alle Komponenten wie vorgesehen montiert, können in der Kanalführung nur geringfügige Änderungen im Vergleich zum Originalzustand festgestellt werden. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Messbohrungen, unterscheidet sich die äußere Gestalt der InLine Rheometer-Komponenten deutlich vom vorherigen Design der Spritzgießmaschine. Der technische Entwurf des InLine Rheometers ist das Ergebnis aus unterschiedlichen Konzepten, sowie der rheologischen, thermischen und mechanischen Auslegung aller Komponenten. Dazu gehören das Gehäuse mit Kanalführung und Sensorbohrungen, sowie Düse, Sensoren, Stopfen und Heizmanschetten. Alle zu fertigenden Bauteile sind zusätzlich in einer fertigungsgerechten Einzelteilzeichnung dargestellt. Kaufteile wie geeignete Sensoren und Heizmanschetten wurden auf Grundlage der Prozessparameter begründet ausgewählt. Die Auswahl des Materials C60E wurde sowohl von thermischer, als auch von mechanischer Seite aus diskutiert. Vorüberlegungen zur Erstellung verschiedener Konzepte, wurden durch die Anfertigung eines Forderungsplans und einer Kombinationstabelle angestellt. Das umgesetzte Konzept ist eine Kombination zweier Einzelkonzepte, welche durch eine tiefgründige Bewertung, anhand gewichteter Kriterien, zur weiteren Untersuchung ausgewählt wurden. Nach abgeschlossener Fertigung und Montage des InLine Rheometers, werden zahlreiche Versuche durchgeführt, um die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit des Messprozesses zu überprüfen. Anschließend soll das InLine Rheometer, wie bereits angedeutet, auf Basis von computergestützter Intelligenz den Spritzgießprozess kontinuierlich überwachen. Daraufhin soll die Spritzgießmaschine in der Lage sein, den Prozess je nach Material-fließverhalten optimieren zu können. Das Lastenheft liegt der Arbeit in Form einer CD bei. Zur Orientierung während des Lesens wurde der Arbeit eine schematische Darstellung des InLine Rheometers im Format 2:1 in ausklappbarer Form angehängt.