Localized and programmable material transport and deposition by corona discharge. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (xiii, 133, XXIX Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
Der Transport von Materialien und Gütern bestimmt unseren Alltag. Materialtransport passiert in globalen Logistikunternehmen, in Fertigungslinien, in alltäglichen Situationen wie dem Einkaufen und selbst in unserem menschlichen Körper. Zu jedem Zeitpunkt werden Materialien von A nach B transportiert, ohne dass uns dies in vielen Situationen bewusst wird. Mit dem Unterschreiten von Größenordnungen im Mikro- und Nanometerbereich wird ein gezielter Materialtransport zu einer Herausforderung, da eine manuelle Manipulation nicht mehr möglich ist. Dennoch wäre es wünschenswert, wenn wir gezielt Material an einen gewünschten Ort transportieren und dort abscheiden könnten, denn diese Lokalisierung wird in vielen Anwendungsfeldern benötigt, um z.B. physikalische Eigenschaften auszunutzen oder chemische oder biologische Reaktionen auszulösen. Daher soll in dieser Arbeit eine Methode zum lokalisierten Materialtransport im Mikro- und Nanometerbereich vorgestellt werden. Diese Methode basiert auf elektrischen Kräften. Einfach ausgedrückt, laden wir ein beliebiges Material elektrisch auf und können es dann in einem elektrischen Feld manipulieren. Negativ geladenes Material wird von negativ geladenen Flächen abgestoßen und von positiv geladenen Flächen angezogen. So lässt sich ein gerichteter Materialtransport erzeugen. Das Material wird mithilfe einer negativen DC Corona-Entladung aufgeladen. Durch die Strukturierung von isolierenden Flächen auf leitfähigen Substraten lassen sich sogenannte elektrodynamische Trichter erzeugen, die das geladene Material zu den gewünschten Orten führen, es dort konzentrieren und abscheiden. Die Nutzung von elektrischen Kräften ermöglicht zudem eine Programmierbarkeit, da durch das Ändern der elektrischen Felder oder durch An- und Ausschalten von Elektroden die Position der Abscheidung, die Abscheideart oder die Abscheiderate geändert werden kann. Die Nutzung der Corona-Entladung ermöglicht eine hohe Freiheit bei der Materialwahl. Die Abscheidung von Metallen, Halbleitern, Isolatoren und biologischen Materialien in einem Größenbereich von Mikropartikeln bis hin zu einzelnen Molekülen wird gezeigt. Die Anwendungsgebiete der vorgestellten Methode sind vielfältig: Sie reichen von Luftüberwachung, Nanodrahtwachstum, Gassensorik bis hin zur Kristallzucht. Die experimentellen Ergebnisse werden mit elektrischen, optischen und materialspezifischen Analysen verifiziert. Darüber hinaus werden Simulationen durchgeführt, um die Art der Lokalisierung zu demonstrieren.
https://doi.org/10.22032/dbt.51508
Berechnung des Elastizitätsmoduls von Verbundwerkstoffen unter Berücksichtigung der Adhäsion an der Faser-Matrix-Grenzfläche : ein Beitrag am Beispiel kurzfaserverstärkter Thermoplaste. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (xx, 216 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
In dieser Arbeit wird erstmalig ein Berechnungsmodell für Elastizitätsmoduln von kurzfaserverstärkten Kunststoffen unter Berücksichtigung der werkstoffspezifischen Haftbedingung in der Faser-Matrix-Grenzfläche vorgestellt und validiert. Dies erfolgt im Rahmen einer Modellerweiterung indem die Oberflächenspannungsanteile der Kontaktpartner herangezogen und Oberflächenrauheiten der Fasern vernachlässigt werden. Die Anwendung des Modells präzisiert die Vorhersagen des Elastizitätsmoduls des Verbundes, was direkte Auswirkungen auf die Eigenfrequenzen und Nachgiebigkeit von Bauteilen insbesondere unter Verwendung nahezu unpolarer Matrices hat. Ein einmaliger Vorteil der Modellerweiterung besteht in der Möglichkeit Kreuzvergleiche zwischen den zu kombinierenden Materialien durchzuführen. Kombinationsspezifische Untersuchungen, wie Einzelfaserauszugstests einer spezifischen Faser-Matrix-Kombination, sind nicht mehr notwendig. Die Messung der Oberflächenspannungsanteile der gewählten Materialien erfolgt unter Verwendung dreier Testflüssigkeiten: destilliertes Wasser, Dimethylsulfoxid und Ethylenglycol. Darüber hinaus ist die Messung unter Einsatztemperatur zu empfehlen, die in vielen Fällen im Bereich der Raumtemperatur und im Rahmen dieser Untersuchungen bei 23 ˚C liegt. Zur Sicherstellung einer vollständig ausgeprägten Kontaktfläche zwischen Faser und Matrix muss ein Spreiten der Matrix auf der Faseroberfläche vorliegen. Hierbei muss die Gesamtoberflächenspannung der Matrix stets kleiner sein als die Gesamtoberflächenspannung der Faser oder gleichwertig. Die Modellerweiterung wird anhand geeigneter Faser- und Matrixwahl auf die Effekte der physikalischen Adhäsion reduziert, um dessen Einfluss klar herauszuarbeiten. Die eigenen Untersuchungen zeigen die Abweichungen der etablierten Modelle von bis zu 25 %, die mit der neuartigen Modellerweiterung stets im Bereich der Messunsicherheit des Elastizitätsmoduls des Verbundes aus den Zugversuchen liegen. Schließlich wird die Modellerweiterung an Daten aus der Literatur erprobt. Die Verbesserung der Vorhersage des Elastizitätsmoduls des Verbundes ermöglicht es, bereits in der Konzeptionsphase ein zuverlässiges elastisches Deformationsverhalten vorherzusagen und Materialwechsel oder Funktionsfaktoren im Entwicklungsprozess zu minimieren bis verhindern.
https://doi.org/10.22032/dbt.51472
Kantenfestigkeitsoptimierte (Weiter-) Entwicklung eines Verfahrens zum Trennen von ultradünnem Glas. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (xv, 121 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
Der Einsatz von Gläsern, insbesondere von ultradünnen Gläsern, wird in zahlreichen innovativen Anwendungen durch deren Sprödbruchverhalten eingeschränkt. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues, fertigungstaugliches Kantenfestigkeitsmessverfahren für ultradünne Glasproben beschrieben, mit etablierten Festigkeitsprüfverfahren verglichen und als einsatztauglich befunden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird ein auf Kantenfestigkeit optimiertes Ritz- und Bruchverfahren für ultradünnes Glas durch die Konstruktion neuer Maschinenbauteile unter der Verwendung einer hohen Anzahl getesteter Proben sowie fortschrittlicher statistischer Methoden entwickelt. Zudem wird nachgewiesen, dass sich die aus dem Verfahren resultierende Festigkeit mittels eines linearen Modells vorhersagen lässt, wenn eine Schneidflüssigkeit verwendet wird. Anhand einer großen Menge getesteter Proben wird sodann belegt, dass die resultierende Festigkeit einer 3-Parameter-Weibull-Verteilung folgt und daher eine Festigkeitsschwelle aufweist, unterhalb derer die Bruchwahrscheinlichkeit ingenieurtechnisch vernachlässigbar gering ist. Dies ermöglicht es Produktdesignern innovative Produkte zu entwickeln, die auf einer zuverlässig hohen Festigkeit von ultradünnem Glas basieren und damit den Anwendungsbereich von Gläsern signifikant zu erweitern.
https://doi.org/10.22032/dbt.51023
Systembetrachtung der Korrosionsbeständigkeit an geschliffenen Oberflächen von metastabilen Austeniten. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2022. - 1 Online-Ressource (VII, 202 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
Wegen ihrer Beständigkeit gegen Korrosion sowie der guten Umformbarkeit sind austenitische CrNi-Stähle in einer Vielzahl von Anwendungen anzutreffen. Die Fähigkeit zur Ausbildung einer stabilen Passivschicht beruht dabei insbesondere auf dem Anteil an Chrom in der jeweiligen Legierung. Der Einfluss weiterer einzelner Faktoren auf das Korrosionsverhalten von CrNi-Stählen wird in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Arbeiten behandelt. Die vorliegende Arbeit befasst sich dabei explizit mit der Auswirkung einer erfolgten Kaltumformung und der erzeugten Bauteiloberfläche infolge unterschiedlicher Bearbeitungsverfahren auf das Korrosionsverhalten. Zur Betrachtung der Wechselwirkung dieser beiden Faktoren wurden zwei metastabile austenitische Stähle herangezogen, welche eine nahezu identische Korrosionsbeständigkeit (gem. PREN) aufweisen, aber deren Austenitstabilität (gem. Md30) unterschiedlich ist. Durch mehrstufiges Kaltwalzen wurden an Blechmaterial verschiedene Umformgrade erzielt. Die Differenzierung in den Oberflächenausführungen wurde anschließend durch metallografische Präparation oder durch Plan-Umfangs-Längsschleifen erzeugt. Die metallografische Präparation führte zu geschliffenen, polierten oder elektropolierten Oberflächenausführungen. Für den maschinellen Flachschleifprozess wurden jeweils Oberflächen mit Siliziumkarbid oder mit Korund als Schleifmittel bearbeitet. Die Bestimmung des Korrosionsverhaltens erfolgte mittels verschiedener elektrochemischer Messmethoden. Zur Charakterisierung der erzeugten Oberflächen wurden unterschiedliche Analysemethoden angewendet, insbesondere die taktile und optische Bestimmung der Oberflächenrauheit sowie die Untersuchung mittels REM-Aufnahmen. Der Einfluss der Kaltumformung auf das vorliegende Gefüge, die zu einer ausgeprägten Bildung von α'-Martensit führte, wurde durch konventionelle Metallografie, EBSD-Messungen und magnetinduktive Messungen erfasst. In Bezug auf das erzielte Korrosionsverhalten zeigt sich der Einfluss beider Faktoren deutlich. Die Veränderung der mechanischen Eigenschaften infolge der Kaltumformung kann dabei als dominanter Einfluss auf die erzeugte Oberflächentopografie nachgewiesen werden. Hieraus folgt für geschliffene Oberflächen ein entgegengesetzter Trend des Korrosionsverhaltens mit steigendem Umformgrad zu den polierten oder elektropolierten Oberflächen.
https://doi.org/10.22032/dbt.50169
Biologische Inspiration sensibler Funktionen in nachgiebigen technischen Grenzflächen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2021. - 1 Online-Ressource (XV, 153 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
Das Thema der hier vorgestellten Arbeit ist die Entwicklung einer flexiblen mehrschichtigen Sensorstruktur zur Erfassung mechanischer Größen, insbesondere von Kräften oder Drucken. Diese Schichtstruktur soll fähig sein, sich in ihrer Gestalt und Steifigkeit an exogene Einflüsse, die als mechanische Umgebungsbedingungen variieren können, anzupassen. Die menschliche Haut als komplexes Sinnesorgan dient hier als Inspirationsmodel für ein nachgiebiges adaptives technisches System. Die funktionsrelevanten morphologischen Bestandteile der Haut wie Schichtung, drei-dimensionale Geometrie der Grenzfläche der papillären Dermis und die Mechanorezeptoren spielen eine große Rolle bei der Wahrnehmung des auf die Körperoberfläche wirkenden mechanischen Reizes und dessen weiterer Interpretation. Die räumliche Verteilung der Mechanorezeptortypen innerhalb der mechanisch unterschiedlichen Gewebeschichten verleiht der Haut die Möglichkeit unterschiedliche Arten von Informationen aus der unmittelbaren Umgebung zu rezipieren. Eine Druckkraft auf die Hautoberfläche erzeugt einen messbaren Versatz der papillären Flankenflächen zwischen Epidermis und Dermis zueinander und bewirkt damit eine Vergrößerung des Dehnungsanteils des Reizes. Eine zusätzliche hydraulische Komponente stellt der subepidermale Venenplexus dar, dessen Gefäßsteifigkeit vom Innendruck abhängig ist. Die Integrationsstrategie des Sensor-Aktor-Systems der menschlichen Haut wird mit einer technischen Implementierung dieser Sensorperipherie umgesetzt. Die unter den verschiedenen äußeren Belastungen auf der Hautoberfläche entstandene Spannungsverteilung in den Gewebeschichten der Haut kann mithilfe analytischer und numerischer Methoden bestimmt werden. Ergebnisse aus der experimentellen Biologie sowie Modelle als Entsprechung zum natürlichen Objekt, welche bestimmte Eigenschaften (z.B. Papillenprofile, Materialeigenschaften oder Sensorposition) widerspiegeln, wurden in das biomimetische Erklärungsmodell übertragen. Die Sensoren innerhalb einer geeigneten Matrix können in dem nachgiebigen mehrschichtigen Funktionsmuster räumlich so verteilt sein, dass bei Oberflächendruck die begleitenden spezifischen Tangentialkraft-Komponenten aufgenommen und erfasst werden können. Die Struktur der Oberfläche der Grenzschicht kann als keilförmiges Profil analog der papillären Dermis hergestellt werden. Durch eine Implementierung der fluidischen Aktorik in die basale Schicht kann eine Steifigkeitseinstellung während der Messung realisiert werden. Diese Kombination von Sensor- und Aktorkomponenten versetzt das Gesamtsystem in die Lage, sich an die exogenen Einflüsse und variablen Messbedingungen in weitem Bereich anzupassen.
https://doi.org/10.22032/dbt.51569
Fabrication and characterization of microstructured scaffolds for complex 3D cell cultures. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2021. - 1 Online-Ressource (XII, 140 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
In einem natürlichen Gewebe wird das zelluläre Verhalten durch Stimuli der Mikroumgebung reguliert. Verschiedene chemische, mechanische und physikalische Reize befinden sich in einem lokalen Milieu und versorgen die Zellen mit einem biologischen Kontext. Im Vergleich zur in vivo Situation, zeigen Standard 2D in vitro Zellkulturmodelle viele Unterschiede in der zellulären Mikroumgebung und können infolgedessen eine Veränderung der Zellantwort verursachen. Die Schaffung einer physiologisch realistischeren Umgebung auf künstlichem Substrat ist ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung zuverlässiger Plattformen, die es den kultivierten Zellen ermöglichen, sich natürlicher zu verhalten. Daher sind neuartige Substrate auf Biomaterialbasis mit maßgeschneiderten Eigenschaften sehr gefragt. Die Mikrotechnik ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das bei der Herstellung der Funktionsgerüste hilft, um verschiedene Eigenschaften der in vivo Umgebung zu reproduzieren und auf in vitro Bedingungen zu übertragen. Die Gerüstkonstruktionsparameter können manipuliert werden, um die für das jeweilige Gewebe spezifischen Anforderungen zu erfüllen. Eine der grundlegenden Einschränkungen bei aktuellen Herstellungsverfahren ist jedoch die Unfähigkeit, mehrere Gerüsteigenschaften auf vorgefertigte Weise in eine einzelne Gerüststruktur zu integrieren. Diese Dissertation befasst sich mit Gerüstmikrofabrikations- und Oberflächenmodifikations-techniken, welche die Mikrostrukturierungstechnologie verwenden und die gleichzeitige Kontrolle über verschiedene Gerüsteigenschaften ermöglichen. Diese Ansätze bei der Mikrofabrikation von Polymergerüsten werden verwendet, um physikalische und chemische Eigenschaften bereitzustellen, die für die Leberzellkultur optimiert sind. Die physikochemischen Aspekte, die die zelluläre Mikroumgebung von Lebergewebe in vivo ausmachen, werden diskutiert und anschließend werden relevante Technologien vorgestellt, mit denen einige dieser Aspekte in vitro reguliert werden können. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein neuartiges zweistufiges Verfahren zur Herstellung von Polymergerüsten mit mikroporöser Struktur und definierter Topographie gezeigt. Um 3D-Matrizen mit integrierter Porosität zu erhalten, wurde nach der Herstellung mikroporöser Folien ein Mikrostrukturierungsprozess unter Verwendung der Mehrschicht Polymer-Thermoformtechnologie durchgeführt. Diese Methoden wurden verwendet, um Substrate für die organotypische 3D-Hepatozytenkultivierung herzustellen. Poröse Gerüste mit Mikrokavitäten wurden aus lösungsmittelgegossenen und phasengetrennten Polymilchsäure (PLA) Folien gebildet. Die Proben wurden auf grundlegende mechanische und Oberflächenspezifische Eigenschaften sowie auf die Zellleistung untersucht. Um einen Bezugspunkt für die Bewertung der hergestellten Matrices bereitzustellen, wurden PLA-Gerüste mit zuvor beschriebenen Substraten auf Polycarbonat (PC)-Basis mit ähnlicher Geometrie verglichen. HepG2-Zellen, die in PLA-Gerüsten kultiviert wurden, zeigten eine gewebeartige 3D-Aggregation und eine erhöhte Sekretionsrate von Albumin im Vergleich zu PC-Gerüsten. Anschließend wurde dieses zweistufige Herstellungsverfahren verwendet, um schnell abbaubare Gerüste für die gerüstfreie Zellblatttechnik herzustellen. Gerüste mit kontrollierter Porosität und Topographie, die die Schlüsselmerkmale von Lebersinusoiden nachahmen, wurden aus Poly(milch-co-glykolsäure) (PLGA)-Copolymer hergestellt und für den in vitro Abbau in Zellkultur charakterisiert. Um die Beziehung zwischen dem Abbau des Gerüsts und der Organisation der Zellen in der PLGA-Matrix aufzudecken, wurde die Lebensfähigkeit und Morphologie der kultivierten Zellen zusammen mit der Morphologie des Gerüsts untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden verschiedene technische Lösungen für die gerichtete Strukturierung mikroporöser Polymergerüste bewertet und ihre Eignung zur Erzeugung einer benutzerdefinierten lebenswichtigen oligozellulären Morphologie auf künstlichem Substrat vorgestellt. Besonderes Augenmerk wurde auf das 3D-Mikrokontaktdruckverfahren (3DµCP) gelegt, das die Vorteile des Mikrothermoformens und des Mikrokontaktdrucks kombiniert und eine räumlich-zeitliche Kontrolle über morphologische und chemische Merkmale in einem einzigen Schritt ermöglicht. Um das Potenzial dieser Technik aufzuzeigen, wurden Gerüste mit bestimmten Mikrostrukturen wie Kanäle mit verschiedenen Tiefen und Breiten sowie komplexere Muster hergestellt und verschiedene ECM-Moleküle gleichzeitig in die vordefinierten Geometrien übertragen. Die Gültigkeit des 3DµCP-Prozesses wurde durch mikroskopische Messungen, Fluoreszenzfärbung und Testen der Substrate auf Zelladhäsionsantwort gezeigt. Schließlich wird in dieser Arbeit die Herstellungsmethode zur Erzeugung komplexer Gerüste für die 3D- und gesteuerte Co-Kultivierung von Leberzellen vorgestellt. Polymermatrizen, die die grundlegende Leberarchitektur replizieren und somit eine gut organisierte Leberzellzusammensetzung ermöglichen, wurden erfolgreich unter Verwendung der 3DµCP-Methode hergestellt. Auf der Polycarbonatoberfläche wurden gleichzeitig chemische und topografische Leitfäden in Form sinusförmiger Strukturen strukturiert. Um die 3D-Gewebemikrostruktur zu replizieren, wurden EA.hy926- und HepG2-Zellen auf beiden Seiten des strukturierten porösen Gerüsts Co-kultiviert und anschließend einander gegenüber gestapelt, wodurch zugehörige Kanäle zur Bildung einer Kapillare führen. Das Potenzial unseres 3DµCP-strukturierten Gerüsts für die gerichtete Co-Kultivierung von Zellen wurde unter statischen Zellkulturbedingungen demonstriert. Am Ende wurden Gerüste für die weiteren Anwendungen im perfundierten Bioreaktorsystem angepasst.
https://doi.org/10.22032/dbt.50717
Experimental characterization of turbulent superstructures in large aspect ratio Rayleigh-Bénard convection. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2021. - 1 Online-Ressource (xii, 187 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
Die Untersuchung von thermisch induzierten Strömungen hat in den letzten Jahrzehnten eine enorme Aufmerksamkeit erfahren, um geophysikalische und astrophysikalische Systeme besser verstehen zu können. Hierfür hat sich das sogenannte Rayleigh-Bénard Modell als eines der meist untersuchten fluidmechanischen Systeme etabliert, da es die kaum abzubildende Komplexität von natürlichen Systemen in ihrer Mannigfaltigkeit auf ein Fluidvolumen reduziert, welches von unten isotherm erwärmt und von oben isotherm gekühlt wird. Trotz dieser Reduzierung an Komplexität können mit diesem Modell die wesentlichen Eigenschaften von thermischer Konvektion abgebildet werden. Die Strömung in einem solchen System, welche als Rayleigh-Bénard Konvektion bekannt ist, weist Strömungsstrukturen auf unterschiedlichsten Längenskalen auf. In der vorliegenden Arbeit werden die sogenannten Superstrukturen untersucht. Diese sich in horizontaler Richtung weit erstreckenden Strukturen treten in Erscheinung, wenn die horizontale Dimension der Fluidschicht wesentlich größer als der vertikale Abstand zwischen der erwärmten Unterseite und der gekühlten Oberseite ist. Da die Superstrukturen bisher im Wesentlichen anhand von numerischen Simulationen untersucht wurden, soll in dieser Arbeit erstmals vom experimentellen Standpunkt ein besserer Eindruck gewonnen werden. Zur Untersuchung der Superstrukturen wird eine Rayleigh-Bénard Zelle mit den Abmessungen l × w × h = 700 mm × 700 mm × 28 mm und folglich mit einem Aspektverhältnis von [Gamma] = l/h =25 aufgebaut. Bei allen Experimenten wird diese Zelle mit Wasser als Arbeitsmedium befüllt. Um die Rayleigh-Bénard Strömung zu untersuchen, werden thermochrome Flüssigkristalle als Impfpartikel der Strömung beigefügt, sodass simultane Messungen des Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldes in horizontalen Ebenen der Zelle vorgenommen werden können. Während das Geschwindigkeitsfeld mittels der Bewegung der thermochromen Flüssigkristalle im zeitlichen Verlauf anhand der etablierten Partikelbild-Geschwindigkeitsmessung (Particle Image Velocimetry) bestimmt wird, basiert die Messung des Temperaturfelds auf der farblichen Erscheinung der thermochromen Flüssigkristalle, welche unter der Beleuchtung von Weißlicht temperaturabhängig ist. Im Hinblick auf die genaue Bestimmung der Temperatur wird diese Messtechnik umfänglich charakterisiert, wobei die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Messunsicherheit diskutiert werden. Da die Untersuchung der turbulenten Superstrukturen mittels dieser Messtechnik den optischen Zugang zur flachen Rayleigh-Bénard Zelle erfordert, ist der Aufbau speziell konstruiert und ermöglicht die Beobachtung der Strömung durch eine transparente Kühlplatte. Der Entwicklungsprozess wird in der Arbeit aus ingenieurstechnischer Sicht genauestens erklärt. Bei der Auswertung der Messungen kommen die großskaligen Strukturen sowohl im Temperaturfeld als auch im Geschwindigkeitsfeld zum Vorschein. Die Größe der Superstrukturen wird untersucht in Abhängigkeit der Rayleigh-Zahl Ra, welche den thermischen Antrieb der Strömung beschreibt und in der vorliegenden Arbeit etwa im Bereich 2 × 10^5 ≤ Ra ≤ 2 × 10^6 variiert wird. Auf der Basis dieser Messungen, welche jeweils einen großen Zeitraum abdecken, wird das Langzeitverhalten der Superstrukturen analysiert, womit deren langsam voranschreitende Umstrukturierung gezeigt wird. Da die kombinierte Messung des Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldes in den horizontalen Messebenen die Berechnung des lokalen Wärmestroms ermöglicht, wird diese Möglichkeit ebenfalls demonstriert. Um die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit bewerten zu können, werden jene mit den Resultaten aus numerischen Simulationen verglichen.
https://doi.org/10.22032/dbt.51488
Hybrid Friction Eutectic Bonding (HFEB) - stoffschlüssiges Fügen von Aluminium und Kupfer unter Nutzung der eutektischen Reaktion. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (X, 177 Seiten). - (Fertigungstechnik - aus den Grundlagen für die Anwendung ; Band 12)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
Ansätze des werkstofflichen Leichtbaus mit dem Ziel der Gewichts- und Ressourcenoptimierung in elektrischen Verbindungen haben das Fügen von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen zu einem stark verfolgten Forschungsschwerpunkt der letzten Jahre gemacht. Im Rahmen von Elektromobilität sowie allgemeiner Erhöhung von Komfort- und Sicherheitsstandards ergeben sich hierfür hohe Herausforderungen an die einzusetzenden Fügetechnologien. Der Zielzustand für elektrische Verbindungen besteht in großflächigen, duktilen Verbindungen mit geringem Kontaktwiderstand. Je nach Verfahren werden diese Ziele jedoch durch die Bildung spröder, intermetallischer Phasen oder erhöhte Grenzflächen- und Bauteilverformung nur zum Teil erreicht. In der vorliegenden Arbeit wurde gezielt die Bildung einer eutektischen Schmelze zwischen Aluminium und Kupfer genutzt, um den Lösungsraum zwischen Press- und Schmelzschweißverfahren zu nutzen. Während der Initialkontakt der Grenzflächen durch Fügedruck während des Rührreibpunktschweißens beschleunigt wird, findet die Vergrößerung und Benetzung der Fügefläche durch die Bildung einer eutektischen Schmelze statt. Diese bildet sich zwischen den Grundwerkstoffen, ohne dass diese in die flüssige Phase übergehen. In Abhängigkeit der Prozessführung kann der Pressschweißprozess hier erneut genutzt werden, um die Schmelze aus der Fügezone zu verdrängen. Somit kann das Erstarrungsverhalten gezielt beeinflusst werden, während sich weitere Vorteile durch den Abtransport von Einschlüssen und Verunreinigungen ergeben. Durch eine angepasste Prozessführung können vollflächige Anbindungen in kurzer Prozesszeit von weniger als 0,5 s erzielt werden. Die Bildung weiterer Sprödphasen außerhalb des eutektischen Systems wird durch die Limitierung der Spitzentemperatur und des Energieeintrags verhindert. Zusätzlich kann die Schmelzebildung als Reduzierung des Materialwiderstands während des kraftgeregelten Prozesses detektiert und diese für weitere Prozessansätze genutzt werden. Weitere Optimierungsansätze zeigen sich beim Übertrag auf weitere Pressschweißverfahren und Bauteilgeometrien.
https://doi.org/10.22032/dbt.50162
Modellbildung und Vorabschätzung für das Betriebsverhalten eines Planetwalzenextruders. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2021. - 1 Online-Ressource (vi, 143 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
Der Planetwalzenextruder hat sich als Spezialist unter den Compoundierextrudern für die Aufbereitung von temperaturempfindlichen Kunststoffen etabliert. Im Vergleich zu anderen Extrusionssystemen ist der Kenntnistand zum Materialtransport, des Energieeintrags und des Aufschmelzens in der Maschine jedoch mangelhaft. Insbesondere analytische Modelle zur Beschreibung des Prozessverhaltens von Planetwalzenextrudern fehlen vollständig. Dies wird bei der Auslegung und Optimierung von Extrusionsprozessen mit dem Planetwalzenextruder durch die steigende Komplexität der Prozesse zunehmend zum Problem. Diese Arbeit zum Thema "Modellbildung und Vorabschätzung für das Betriebsverhalten eines Planetwalzenextruders" soll einen Beitrag zur Lösung dieser Herausforderung liefern. In der vorliegenden Arbeit wird eine mathematische Beschreibung der Geometrie- und Geschwindigkeitsverhältnisse im Planetwalzenextruder entwickelt. Darauf aufbauend werden Modellierungsansätze aus der Ein- und Doppelschneckenextrudertheorie an die Geometrie- und Prozessbedingungen des Planetwalzenextruders angepasst. Hierzu werden die Teilbereiche Materialförderung, Plastifizierung, Temperatur- und Leistungseintrag getrennt modelliert und anschließend gekoppelt. Experimentelle Betrachtungen werden dabei für die Modellbildung und Validierung genutzt. Damit steht ein Simulationswerkzeug zur Verfügung, das wichtige Prozesskenngrößen wie Druck, Temperatur, Aufschmelzgrad, Viskosität, Schergeschwindigkeit und Verweilzeit entlang des Planetwalzenextruders bestimmen und darstellen kann. Für die untersuchten Materialien wird in den Berechnungen eine Vorhersageunsicherheit von etwa 20 % erreicht. Die entwickelten Modelle stellen damit einen ersten Schritt für eine simulationsunterstützte Auslegung von Extrusionsprozessen mit dem Planetwalzenextruder dar.
https://doi.org/10.22032/dbt.50333
Three-dimensional optical microcavities: from geometric phases to tailored far-field emission. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2021. - 1 Online-Ressource (iii, 204 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
Diese Arbeit behandelt dreidimensionale optische Mikrokavitäten in Bezug auf ihre Resonanzmoden. Die optischen Mikrokavitäten reichen dabei von Möbiusband-Kavitäten über zylindrische und kegelförmige Ringkavitäten sowie kegelförmige Tube-Kavitäten bis hin zu Arrays von Lima¸con-Kavitäten. Im ersten Teil werden flüstergalerieartige Moden von dielektrischen Möbiusband-Kavitäten mit Hilfe von FDTD-Simulationen untersucht. Die Topologie des Möbiusbands erlaubt die Entstehung einer geometrischen Phase und zwar der Pancharatnam-Phase. Darauf aufbauend wird untersucht, wie die Pancharatnam-Phase durch Verkürzung der Länge des verdrehten Anteils oder durch Erhöhung der Dicke des Möbiusbands manipuliert werden kann. Dabei untersuchen wir, wie die Polarisation und die Fernfelder der flüstergalerieartigen Moden beeinflusst werden. Außerdem wird die Nonagon-Möbiusband-Kavität - eine Möbiusband-Kavität mit Querschnittsform dreifacher Rotationssymmetrie - eingeführt, die ebenfalls eine Manipulation der Pancharatnam-Phase ermöglicht. Im zweiten Teil werden propagierende flüstergalerieartige Moden in zylindrischen Ringkavitäten, konischen Ringkavitäten und konischen Tube-Kavitäten mittels FDTD-Simulationen und vektorieller Beugungstheorie untersucht. Der propagierende Charakter der Moden ermöglicht die sogenannte Spin-Richtungs-Wechselwirkung des Lichts. Darauf aufbauend wird untersucht, wie die Fernfeldpolarisation durch die axiale Morphologie der flüstergalerieartigen Moden und durch geometrische Eigenschaften der Kavitäten wie die Öffnungswinkel von konischen Ring- und Tube-Kavitäten beeinflusst wird. Mit Hilfe vektorieller Beugungstheorie wird ein qualitativer Zusammenhang zwischen den lokalen Eigenschaften der Moden im Inneren der Kavität und der Fernfeldpolarisation beschrieben. Dabei wird die Rolle von Beugung und Präzession des elektrischen Feldvektors um die Kavitätenachse diskutiert. Es wird gezeigt, dass elliptische und zirkulare Polarisationszustände im Fernfeld unmittelbar durch propagierende flüstergalerieartige Moden auftreten, auch ohne inhomogenes oder anisotropes Kavitätenmaterial. Im dritten Teil wird die Fernfeldabstrahlung von linearen Arrays bestehend aus Lima¸con-Kavitäten mithilfe von FDTD-Simulationen untersucht. Während das Fernfeld einer einzelnen Lima¸con-Kavität gerichtete Emission aufweist, wird untersucht, wie sich diese gerichtete Emission in Abhängigkeit der Arrayeigenschaften wie dem Abstand zwischen den Kavitäten und der Anzahl der Kavitäten ändert. Es wird gezeigt, dass die Abstrahlung des Arrays entweder weiter verstärkt (Superdirektionalität) oder sogar umgekehrt Kavitäten werden kann (Richtungsumkehr).
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2021000314