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.
Energetische Analyse eines Dreh-Fräszentrums unter Berücksichtigung technischer und organisatorischer Aspekte und Ableitung von Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz. - Ilmenau. - 122 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Die globalen Auswirkungen der Klimaerwärmung stellen eine bedeutende Herausforderung für kommende Generationen dar. Angesichts klimapolitischer Ziele stehen Unternehmen unter zunehmendem Druck, ihren Energieverbrauch zu optimieren und somit die Emissionen von Kohlendioxid zu reduzieren. Das Steigern der Energieeffizienz in der Fertigungsindustrie spielt eine erhebliche Rolle beim Umsetzen dieser politischen Klimaziele. Die Mercedes-Benz Group AG hat sich in ihrer Initiative „Ambition 2039“ ehrgeizige Energieziele gesetzt. Ein zentraler Aspekt dieser Initiative ist die Identifikation zur Energieeinsparung bei bestehenden Maschinen. Daher besteht in der Camtronic-Nockenwellenproduktion die Vermutung, dass die Effizienz an Dreh- und Fräszentren gesteigert werden kann. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen der vorliegenden Bachelorarbeit eine umfassende energetische Analyse von Dreh-Fräszentren unter Berücksichtigen organisatorischer und technischer Maßnahmen durchgeführt. Hierzu wurde die elektrische Leistungsaufnahme der unterschiedlichen Maschinentypen erfasst und in Abhängigkeit von den Betriebszuständen analysiert. Durch das Priorisieren einer Maschine und das Einteilen in Haupt- und Nebenkomponenten wurde ein ganzheitliches Bewerten der Energie- und Ressourcenverbräuche erreicht. Auf Grundlage dieser Analyse konnten gezielt Handlungen zum Steigern der Effizienz ermittelt werden. Die identifizierten organisatorischen und technischen Maßnahmen wurden gemeinsam mit den errechneten Einsparungspotenzialen in einer Bewertungsmatrix zusammengeführt. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern wertvolle Erkenntnisse bezüglich energetischer Einsparungen und bieten klare Handlungsempfehlungen zum Optimieren der Anlagen. Diese Bachelorarbeit trägt dazu bei, konkrete Energieeinsparmaßnahmen zu identifizieren und vermittelt zugleich Einblicke in das Implementieren nachhaltiger Praktiken innerhalb der Automobilindustrie im Zusammenhang mit dem Klimawandel.
Untersuchung der Erkennungsrate von Spritzgießfehlern mittels Thermografie. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
In dieser Bachelorarbeit wurde das zerstörungsfreie Prüfverfahren Thermografie zur Erkennung von Spritzgießfehlern genutzt, um eine hohe Bauteilqualität zu gewährleisten und Ausschuss zu minimieren. Die Zielsetzung bestand darin, herauszufinden, welche Störquellen, Parameter und technischen Kennwerte die Thermografie beeinflussen und begrenzen, um auf dieser Basis Möglichkeiten darzulegen, welche die Erkennungsrate des Prüfverfahrens optimieren. Hierzu wurden aufbauend auf einer Literaturrecherche thermografisch detektierbare Spritzgießfehler und deren Entstehung erläutert, sowie das Thermografie- und Spritzgießverfahren vorgestellt. Daraufhin wurden erste fehlerfreie Prüfkörper hergestellt, durch Anpassungen der Maschinenparameter konnten im Anschluss fehlerbehaftete Teile mit Vakuolen erzeugt werden. Für diese wurden folglich Grenzwerte zur erfolgreichen Nutzung des Prüfverfahrens erarbeitet und der Mehrwert einer zweiten Thermografiekamera evaluiert. Ein besonderes Augenmerk wurde daraufgelegt, welchen Einfluss sowohl eine Änderung der Bauteildicke, als auch die Variation der Einspritzgeschwindigkeit, auf die Erkennungsrate der Vakuolen haben. Durch gezielte Versuche konnten neben diesen Effekten auch Zusammenhänge zu weiteren technischen Grenzwerten dargelegt werden. Mögliche Optimierungen, besonders durch die Nutzung einer zweiten Thermografiekamera, konnten aufgezeigt werden.
Referenzmessungen für die zeitaufgelöste in situ Photolumineszenz in einer photoelektrochemischen Zelle. - Ilmenau. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
In der vorliegenden Arbeit werden Referenzmessungen durchgeführt, um die Messmethode der in situ zeitaufgelösten Photolumineszenz (engl. Time-Resolved Photolumenescence, kurz: TRPL) in einer photoelektrochemischen Zelle (PEC Zelle) zu etablieren. Langfristig wird das Ziel verfolgt, Oberflächendegradation, bedingt durch die Oxidation bzw. Reduktion der Oberfläche während der Wasserspaltung in einer PEC Zelle, quantifizieren zu können. Hierzu werden in der TRPL übliche Doppelheterostrukturen (DHS) und in der Photoelektrochemie übliche Dreifach-Solarzellen in der PEC Umgebung gemessen. Um das Ablaufen der Wasserspaltung zu fördern, werden über die PEC Zelle Spannungen angelegt, schrittweise erhöht und wieder erniedrigt. Zu jeder Spannung wird eine TRPL Messung durchgeführt. Zeigen die Messdaten einen irreversiblen Anteil so kann dies auf Degradation hinweisen. Es gelingt mit der potentiostatisch unterstützen Verwendung der DHS als Photoelektrode in verschiedenen Elektrolyten keine kontrollierte Wasserspaltung. Die Messungen dazu zeigen keine Indizien für eine mögliche Oberflächendegradation. Beobachtete Zersetzung der Oberfläche einer Dreifach-Solarzelle ermöglicht die Verknüpfung der Degradation mit der Intensität des Signalpeaks. Weitere Messungen an Solarzellen zeigen keine messbare Degradation. Weiterhin wird eine Routine vorgestellt die zur Weiterentwicklung der Messmethode verwendet werden kann.
Charakterisierung und Bewertung des bei der Herstellung von Quarzglas anfallenden Ausschusses hinsichtlich eines effizienten Nutzungskonzeptes. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Im Rahmen einer aktuellen Forschungsfrage der Raesch Quarz (Germany) GmbH, einem Hersteller von Quarzglas- und Quarzgutprodukten, befasst sich diese Arbeit mit Nutzungskonzepten für den bei der Produktion anfallenden Ausschuss. Es handelt sich um ein Hochleistungsmaterial, welches in einem kostenintensiven Prozess aus höchstreinen, intensiv aufbereiteten Quarzsanden unter komplexen Bedingungen und bei hohen Temperaturen erschmolzen wird. Der bisherige Umgang mit dem Produktionsausschuss führt dadurch zu hohen finanziellen Verlusten für das Unternehmen. Zu Beginn der Bemühungen hin zu einer verlustärmeren Verfahrensweise konzentriert sich diese Arbeit insbesondere auf eine Aufbereitung des Materials für eine potentielle Rückführung in den eigenen Schmelzprozess, wie es in anderen Bereichen der Glasindustrie üblich ist. Dazu wurde ein eigener Mahlbehälter für Laborversuche zur kontaminationsarmen Zerkleinerung des Ausschussmaterials gebaut und getestet. Anschließend erfolgte eine Charakterisierung des entstandenen Mahlgutes hinsichtlich der Partikelgrößenverteilung sowie unter anderem durch Lichtmikroskopie und Differential Scanning Calorimetry-Messungen. Im Ergebnis entsteht ein Quarzglaspulver, welches gegenüber einem anderen, konventionellen Zerkleinerungsverfahren vergleichsweise wenig metallische Verunreinigungen enthält und sich für Schmelzversuche zu neuen Quarzglasprodukten anbietet. Darüber hinaus werden weitere Ansätze zur Beeinflussung der Wiedereinschmelzbarkeit und für alternative Verwertungsmöglichkeiten kurz vorgestellt. Schließlich konnten, neben der Raesch Quarz (Germany) GmbH selber, auch externe Interessenten für das Pulver als SiO2-Rohstoff gefunden werden.