Studienabschlussarbeiten

Das Ziel der Arbeit ist es, festzustellen, ob an Polyoxymethylen (POM) und kurzglasfaserverstärktem Polypropylen (PP-GF30) Unterschiede der lokalen mechanischen Eigenschaften unter Verwendung miniaturisierter Rundproben erkannt werden können. Dazu wurden Proben aus Standardzugstäben nach DIN EN ISO 527 Typ 1A herausgetrennt und per Außenrund-Umfangs-Querschleifen bis zum gewünschten Durchmesser von 0,8 mm (POM) bzw. 1,0 mm (PP-GF30) bearbeitet. Anschließend wurden die Spannungs-Dehnungs-Kennlinien des uniaxialen Zugversuchs mit denen des Standardzugversuchs nach DIN EN ISO 527 verglichen. Durch die Präparation von POM-Proben aus zwei verschiedenen Positionen in einem Realbauteil konnte die Anwendbarkeit der Methodik auf Serienbauteile geprüft werden. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass beide Materialien abhängig von Gefüge bzw. Faserorientierung unterschiedliche lokale Festigkeiten aufweisen. Aufgrund der hohen lokalen Auflösung der Methodik sowie der spanenden Probenherstellung ist die Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit dem Standardzugversuch nur bedingt gegeben. Zudem wird der Oberflächeneinfluss auf die Messergebnisse erhöht. Eine raue Oberfläche sowie Defekte können zum vorzeitigen Versagen und damit einer geringeren Bruchdehnung führen. Gleichzeitig lassen sich höhere Zugfestigkeiten aufgrund des size effects erwarten, da die miniaturisierte Probengeometrie die Wahrscheinlich des Auftretens von Fehlstellen senkt. Eine mechanische Dehnungsmessung ist bei Miniaturzugversuchen ungeeignet, weshalb mit Hilfe einer optischen Dehnungsmessung deutlich genauere Ergebnisse erzielt wurden. Diese können in Zukunft verwendet werden, um die Präzision numerischer Simulationen zu erhöhen und schlussendlich den Entwicklungsprozess von Kunststoffbauteilen zu optimieren.

Die vorliegende Arbeit wurde aufbauend auf die Erkenntnisse aus der Dissertation von Stephanie Reiß erstellt. Eines ihrer Themen war das Alterungsverhalten von Flachglas unter Einfluss eines natürlichen Sahara-Sandes. Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist es, den Einfluss einzelner Sandbestandteile auf die Alterung der Glasoberfläche mit Hilfe von Klimaschrankversuchen bei 80 ˚C und 80 % r.h. zu evaluieren. Außerdem soll die Wechselwirkung zwischen Sandpartikeln und der Glasoberfläche untersucht werden. Die Bewitterungsversuche erfolgten mit einem kommerziellen Kalk-Natron-Floatglas. Als Sandvertreter wurden ein hochreiner natürlicher Quarzsand (SiO2> 99,9 Gew%), ein mit 1,1 Gew% Al2O3 verunreinigter natürlicher Quarzsand und ein Kalifeldspat-Sand mit 17,9 Gew% Al2O3 ausgewählt. Außerdem wurden drei Sahara-Sande aus verschiedenen Regionen Algeriens verwendet. Anhand einer Betrachtung der Ausscheidungen im Lichtmikroskop und ausgewählter Proben im Rasterelektronenmikroskop wurden die Erscheinungsbilder auf der Glasoberfläche charakterisiert und mit bisherigen Erkenntnissen verglichen. Außerdem wurden mittels Röntgenbeugung die kristallinen / mineralogischen Phasen auf der Glasoberfläche sowie die qualitative chemische Zusammensetzung der Sandvertreter untersucht. Zuletzt wurden die 7 Tage lang im Klimaschrank bewitterten Luftseiten mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Durch Argon-Sputtern wurden Tiefenprofile erstellt, um die Ionenaustauschprozesse in den obersten Glasschichten (bis ca. 60 nm) zu charakterisieren und die Auslaugung der Netzwerkwandlerionen (insbesondere Na+) und dem Zwischenoxidion Mg2+ zu beschreiben. Zusätzlich wurden anhand der XPS-Spektren der obersten Schicht die Na1s- und O1s-Zustände ausgewertet, um den Anteil an brückenbindendem und nicht-brückenbindendem Sauerstoff zu bestimmen und Aussagen über eventuelle Na-haltige Reaktionsprodukte (mit dem Sand oder Bestandteilen der Luft) zu treffen. Es entstanden in dieser Arbeit erste Ansätze zur Beschreibung des Einflusses bestimmter, definierter Mineralphasen natürlicher Sande auf die Diffusion von Netzwerkwandlerionen und Kristallisationsprozesse auf der Glasoberfläche. Es wurde nachgewiesen, dass schon ein geringer Gehalt an Al2O3 im Sand die Auslaugung von Na-Ionen in den obersten Glasschichten beschleunigt. Somit wurde bestätigt, dass Aluminiumverbindungen auf der Glasoberfläche eine andere Wirkung haben, als im Glas. Bei der Bewitterung ohne Sandeinfluss ist eine Na-Anreicherung an der Oberfläche festzustellen und es können sich Phasen durch Reaktion mit den Bestandteilen der Luft bilden, wie beispielsweise Carbonate. SiO2-reicher Quarzsand wie der IOTA-Sand führt zu einer um 30 % verringerten Anreicherung im Vergleich zur natürlich bewitterten Probe ohne Sandeinfluss.

Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Strahlenschäden bei hochbrechenden optischen Gläsern, die für Optiken in der Lasermaterialbearbeitung eingesetzt werden. Dazu wurden verschiedene optische Gläser mit grünen gepulsten Lasern bestrahlt. Es wurden Nano-, Piko- und Femtosekundenlaser verwendet, um den Einfluss der Pulsdauer zu untersuchen. Die Durchschnittsleistung der unterschiedlichen Laser wurde ebenfalls variiert. Die möglichen Folgen der Beaufschlagung mit Laserstrahlung wurden an einer Glassorte über Elektronenspinresonanz-Spektroskopie analysiert. Durch einen Vergleich mit der Literatur wurden potentielle Einflüsse identifiziert. Zur weitergehenden Untersuchung möglicher Folgen der Laserbestrahlung wurden die Glasbestandteile über Energiedispersive Röntgenspektroskopie und Röntgenfluoreszenzanalyse bestimmt, um Verbesserungs-potentiale aufzuzeigen. Durch die aus den Versuchen zur Haltbarkeit von Gläsern erhaltenen Messdaten können passende Gläser für Einsatzfelder in der Lasermaterialbearbeitung abgeleitet werden.

Das Mehrwegsystem leistet in in Deutschland einen entscheidenden Beitrag zur Nachhaltigkeit. Die Flaschen müssen im Mehrweg-Kreislauf hohen Ansprüchen genügen und unterliegen starken Beanspruchungen. Äußerlich sind diese durch so genanntes Scuffing sichtbar. Aber auch die Innenoberfläche ist im Laufe ihres Lebens unterschiedlichen Beanspruchungen ausgesetzt, sei es durch das Füllgut, die Lagerung oder die Reinigung. Bei dieser Arbeit wurden AFM-Untersuchungen an den Innenoberflächen von PET- und Glas-Mehrwegflaschen der Genossenschaft Deutscher Brunnen durchgeführt. Dabei konnten vor allem beim Glas Veränderungen der Oberflächen beobachtet werden, die nicht auf eine langfristige Degradation hindeuten. Sie lassen sich vielmehr so interpretieren, dass durch den Reinigungsprozess im Laufe der Zeit die Gelschicht auf Glas abgetragen wird und neue frische Oberflächenstrukturen entstehen. Dies geschieht über drei Stufen, der Lochentstehung, dem Lochwachstum, der Schichtauflösung. Für Aussagen zu PET-Mehrwegflaschen lieferten die Messungen keine aussagekräftigen Erkenntnisse.

In der additiven Fertigung von Laserstrahl geschmolzenen Bauteilen wird an der Vollautomatisierung der Prozesskette hin zur additiven Serienfertigung gearbeitet. Zur Erprobung einer derartigen Prozesskette wurde eine Versuchsanlage aufgebaut. Die dazu neu entwickelten Maschinen des Post-Processing Bereichs der Versuchsanlage stellen spezielle Anforderungen an die Sauberkeit der verwendeten Bauplattformen und gefertigten Bauteile. Die folgende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Analyse der bereits in der Versuchsanlage vorhandenen Maschinen zur Pulverentfernung. Das durch sie erzielte Pulverentfernungsergebnis wird untersucht. Es erfolgt eine Recherche zur Reinigung von Laserstrahl geschmolzenen Bauteilen. In der Prozesskette werden Stellen zur Verbesserung der Sauberkeit der Bauteile und Bauplattformen aufgezeigt. Es wird die Entwicklung einer automatisierten Einrichtung zur Pulverentfernung durchgeführt, um eine bereits vorhandene Maschine zu optimieren. Konzepte für Reinigungsmaschinen an den zuvor identifizierten Stellen werden erarbeitet und deren Plausibilität mit Ergebnissen durchgeführter Versuche bestätigt.