Machbarkeitsstudie zur Einbringung von Sensorik in Organoblech-Halbzeuge. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist es, die Machbarkeit der Einbringung von Sensorik in Organoblech-Halbzeuge zu überprüfen. Dadurch soll die Möglichkeit gegeben werden, intelligente faserverstärkte Bauteile bereits in der Halbzeugproduktion und der anschließenden Umformung herzustellen. Hierfür erfolgt eine Recherche und Berechnung der notwendigen Prozessparameter und deren Dokumentation ins Lastenheft. Auf dieser Basis wird eine Auswahl an zu testenden Sensoren getroffen. Nachfolgend sollen die verschiedenen Sensoren auf Anwendbarkeit hinsichtlich Temperatur, Druck, Messgenauigkeit und Möglichkeit der Weiterverarbeitung geprüft werden. Es werden die Auswirkungen der beeinflussenden Prozessparameter gegenüber den ausgewählten Sensoren mit Hilfe eines Versuchsplans erfasst und durch Messreihen die maximalen Betriebspunkte der Sensoren ohne deren Schädigung ermittelt. Danach wird ein Konzept entworfen, bei welchem die Einbringung der ausgewählten Sensoren sowohl im Herstellungsprozess vor der Kalandrierung als auch im Umformprozess des FVK-Halbzeugs untersucht werden können. Nach der Integration der Sensoren erfolgen Kontrollmessungen, die Messergebnisse werden mit den Eingangsmessungen verglichen und die Auswirkung der Einarbeitung erfasst. Abschließend ist, bei erfolgreicher Einbringung eine Strategie zur automatisierten Sensorzuführung für die industrielle Einarbeitung im Herstellungsprozess mit Blick auf verschiedene Anlagenkonzepte zu entwickeln.
Analyse des Werkstoffverhaltens von Kohlenstofffasern gegenüber Glasfasern in der Verarbeitung. - Ilmenau. - 107 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Für faserverstärkte Kunststoffe (FVK) ist die resultierende Länge der Fasern von elementarer Bedeutung, da diese großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, Steifigkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit, hat. Während die Herstellung solcher Formteile üblicherweise auf einem Extruder erfolgt, bietet der Innenmischer einen neuen Ansatz für die Compoundierung faserverstärkter Kunststoffe. Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Analyse des Werkstoffverhaltens von Kohlenstofffasern gegenüber Glasfasern bei der Verarbeitung auf einem Miniatur-Innenmischer. Im Rahmen der Arbeit wurde zuerst eine umfassende Literaturrecherche durchgeführt, auf deren Grundlage der Innenmischer, verschiedene Arten von FVK sowie die Schädigungsmechanismen von Fasern während der Verarbeitung dargestellt wurden. Zudem wurden die Einflussfaktoren auf die Faserverkürzung während der Verarbeitung im Miniatur-Innenmischer herausgearbeitet, woraufhin die beiden Prozessparameter, Rollungen und Ausgangsfaserlänge, als Variationsparameter für die Versuche ausgewählt wurden. In der anschließenden Versuchsphase wurde neben dem Einfluss der beiden Prozessparameter auf die resultierende Faserlänge zudem speziell der Einfluss des Fasertyps auf die resultierende Faserlänge im Verbund untersucht. Dabei wurden sowohl die geometrischen Unterschiede des Durchmessers zwischen den beiden Glasfasern als auch die Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften zwischen der Kohlenstofffaser und den Glasfasern herausgearbeitet.
Evaluation of the fabrication of nanostructures using nanoimprint lithography. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Soft UV-Nanoimprint Lithografie (Soft UV-NIL) ist eine bekannte Lithografie Technik, die sich durch ihre relativ einfache Implementierung auszeichnet und leicht nachträglich an Geräte angebracht werden kann. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Herausforderungen bei der Herstellung von Strukturen auf einem Spin Coated Wafer mittels Soft UV-NIL mit einem selbst gebauten NIL Gerät, welches über drei Achsen und einen Kraftsensor verfügt. Hierbei werden verschiedene Einflüsse auf die resultierenden Strukturen experimentell untersucht. Es wurde sowohl die zeitliche Nutzbarkeit des verwendeten Resists AMONIL MMS4, als auch der Einfluss der verwendeten Imprint-Kraft auf die resultierende Strukturhöhe getestet. Dabei zeigte sich das der Resist bis zu 90 min nach dem Auftragen nutzbar blieb. Die Ergebnisse zeigen, dass besonders der Einfluss der parasitären Eigenschaften, die durch das Verwenden von UV-Licht (Radiation Bleed) entstehen und den Abstand zwischen Imprints für späteres Stitching limitiert. Hierbei wurde getestet, ob mit einer geringeren UV Dosis der Abstand verringert werden kann, was bei dem selbstgebauten Gerät erfolglos blieb. Des Weiteren zeigte die Untersuchung der parasitären Effekte, dass diese richtungsabhängig sind und berücksichtigt werden müssen.
FTIR-Untersuchungen an Arsen-terminierten Silizium(100)-Oberflächen. - Ilmenau. - 48 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Die Ober- und Grenzflächen spielen eine zentrale Rolle für die Funktionsweise von Bauelementen der Optoelektronik sowie der Micro- und Nanotechnologie. Die Arsen-terminierte Silizium(100)-Oberfläche, die als virtuelles Substrat für das Aufwachsen von optoelektronischen Anwendungen wichtiger direkter Halbleiter verwendet werden kann, ist ein Beispiel dafür. In dieser Arbeit wurde diese Oberfläche erstmals mit polarisationsabhängiger Fourier-transformierter Infrarotspektroskopie untersucht. Hierbei konnte durch die Kombination mit RAS-, LEED- und XPS-Messungen die Anwesenheit von Monohydriden an asymmetrischen As-Si-Dimeren nachgewiesen und ein bereits vorhandenes Modell der Oberfläche angepasst werden. Des Weiteren wurde eine bisher unbekannte, durch oberflächennahes Arsen verursachte Absorptionsbande zwischen 2272 1/cm und 3000 1/cm gefunden.
STM-Untersuchung von Antiphasendomänen in GaP-Nukleationsschichten, präpariert auf As-terminierten Si(100)-Oberflächen. - Ilmenau. - 46 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
In dieser Arbeit wurden zwei auf Si(100):As-Oberflächen, mit einer Fehlorientierung von 0.1˚ in <111>-Richtung aufgewachsene GaP Schichten, mit den Dicken 5 nm und 10 nm detailliert mittels Rastertunnelmikroskopie untersucht. Dabei wurden insbesondere die Antiphasendomänen und Antiphasengrenzen abgebildet und analysiert. Zunächst konnte die P-reiche (2×2)/c(4×2) Oberflächenrekonstruktion mit atomarer Auflösung nachgewiesen werden. Ebenfalls konnte das Dimer-flipping, ein Wechsel der Dimerverkippung, an mehreren Stellen beobachtet werden. Weiterhin konnten verschiedene Formen und Größen von Antiphasendomänen gefunden werden. Die meisten Antiphasendomänen sind in ihrer Ausdehnung parallel zu den Stufenkanten größer als senkrecht dazu. Auf der einen Seite ist ihre Grenze typischerweise gerade, auf der anderen Seite unregelmäßig und konvex. Dies lässt vermuten, dass die Antiphasen immer dort entstehen, wo entlang der Stufenkanten des Substrats auf dem Substrat Reste der Minoritätsdomäne verblieben waren. Des Weiteren wurden an vielen Stellen Gräben parallel zu den Stufenkanten des Substrats gefunden. An vielen Stellen befanden sich kleine Antiphasendomänen innerhalb solcher Gräben. Darauf aufbauend ergibt sich die Vermutung, dass es sich bei den Gräben um Residuen darunterliegender vergrabener Antiphasendomänen handelt. Zuletzt konnte ein Modell des Antiphasenübergangs erstellt werden. Der Übergang zwischen den Domänen kann demnach, mit Ausnahme der homopolaren Ga-Ga bzw. P-P Bindung, ohne weitere Defekte erfolgen. Allerdings tritt diese idealisierte Grenze bei den beobachteten Antiphasengrenzen nur an wenigen Stelle in dieser Form auf. Tatsächlich sind an den meisten APBs zahlreiche Defekte und unregelmäßige Verläufe zu beobachten.
Untersuchungen zur magnetischen Anisotropie in gesputterten Ni- und CoFe-Schichten. - Ilmenau. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der magnetischen Anisotropie ferromagnetischer Schichten. Es werden Nickelschichten und Kobalt-Eisen-Multilagen mittels Sputterabscheidung unter schrägem Winkel und in einem äußeren Magnetfeld auf Siliziumwafern hergestellt. Die Auswertung erfolgt anhand Neumagnetisierungskurven und Hysteresekurven, die mit einem Vibrating Sample Magnetometer (VSM) aufgenommen werden. Der Einfluss eines Temperprozesses auf die Anisotropie wird untersucht. Es kann sowohl für die Nickel- als auch Kobalt-Eisen-Schichten eine Anisotropieausbildung durch die schräge Abscheidung beobachtet werden. Diese nimmt mit steigendem Winkel von 50˚ auf 66˚ stark zu. Bei einer weiteren Steigerung auf 72˚ bleibt die Anisotropie annähernd konstant. Für Nickel bildet sich in Abscheiderichtung eine leichte Achse aus, Kobalt-Eisen bildet senkrecht zur Abscheiderichtung eine leichte Achse aus. Im Bereich zwischen 66˚ und 72˚ kommt es zu einer Umorientierung der Achsen für die CoFe-Schicht. Im Rasterelektronenmikroskop ist die Ausbildung einer geneigten Säulenstruktur in Abscheiderichtung durch die schräge Abscheidung ersichtlich. Das Tempern von Nickelschichten bei 200 ˚C führt zu einer geringen Abnahme der magnetischen Anisotropie. Die Eisen-Kobalt-Multilagen verlieren durch einen Temperprozess bei 800 ˚C aufgrund von Diffusionsprozessen vollständig die magnetische Anisotropie. Eisen-Kobalt-Multilagen weisen durch die senkrechte Sputterabscheidung in einem äußeren Magnetfeld keine magnetische Anisotropie auf. Es kann die Ausbildung eines systematischen Offsets der Neukurven in Abhängigkeit von der Probenausrichtung durch das äußere Magnetfeld festgestellt werden.
Untersuchung des Tränkungsverhaltens von Faserhalbzeugen mit thermoplastischen Kunststoffen. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Thermoplastische Faser-Verbund-Kunststoffe finden in vielen Bereichen der Industrie Anwendung. Aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften in Kombination mit einer geringen Dichte verfügen sie über ein hohes Leichtbaupotenzial. Während der Herstellung kann es jedoch zu prozessbedingten Schwankungen der Halbzeugqualität kommen. Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Herstellung von Organoblechen. Der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die resultierende Halbzeugqualität wird untersucht, um Richtlinien für eine anwendungsoptimierte Parametereinstellung zu schaffen. Anhand eines erarbeiteten Versuchsplans werden Organobleche aus Polypropylen-Granulat und Glasfasergewebe hergestellt. Die Verarbeitung in einem statischen beheizten Presswerk dient der Reduzierung äußerer Einflüsse. Durch die Analyse entnommener Proben können Aussagen bezüglich der Faserverschiebung sowie des Poren- und Faservolumengehalts getroffen werden. Zudem erfolgt eine statistische Auswertung der Messwerte sowie die Darstellung der Parameterabhängigkeit der Qualitätsmerkmale. Es wird geprüft, ob die gewonnenen Erkenntnisse auf weitere Materialien anwendbar sind.
Recherche und Erprobung umweltverträglicher Weichmacher für den Einsatz in thermoplastischen Elastomeren. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Für Einsatzgebiete, in denen elastische Werkstoffeigenschaften, hohe Umweltverträglichkeit, physiologische Unbedenklichkeit und Recyclierbarkeit gefordert sind, stellen biobasierte und/oder biologisch abbaubare thermoplastische Elastomere (TPE) eine interessante Alternative zu konventionellen Elastomeren dar. Zur gezielten Modifikation der Härte ist die Zugabe von Weichmachern die am häufigsten genutzte Methode. In der Arbeit wurde exemplarisch die Eignung ausgewählter Weichmacher für das thermoplastische Copolyesterelastomer (TPC) Apinat DP 1888/90 hinsichtlich der erzielten Härte- und Viskositätsreduktion experimentell untersucht. Zum Einsatz kam hierfür ein Laborwalzwerk, mithilfe dessen das TPC mit den zehn ausgewählten Weichmachern compoundiert wurde. Für vier Weichmacher wurde ein Versuchsplan verfolgt, der jeweils die Variation des Weichmacheranteils zwischen 10, 15 und 20 % vorsah. Die Abmusterung des Rohgranulats fand an der Spritzgießmaschine statt. Mittels drei verschiedener Messverfahren wurde die Härte der Proben bestimmt. Für die Messung von Shore-A- und Shore-D-Härte wurden Handprüfgeräte eingesetzt. Die Messung der Kugeleindruckhärte HB erfolgte an der Maschine. Überdies schloss die mechanische Untersuchung die Ermittlung des Druckverformungsrestes ein. Weiterhin wurden die Fließkurven der Materialpaarungen in Abhängigkeit von Temperatur und Weichmacheranteil mit einem Rotationsrheometer in Kegel-Platte-Anordnung aufgezeichnet. Die thermodynamischen Eigenschaften der Proben wurden mithilfe der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) sowie der thermogravimetrischen Analyse (TGA) bestimmt. Der Effekt einzelner Weichmacher auf die Härte konnte bereits bei einem Anteil von 10 % nachgewiesen werden. Gegenüber dem Vergleichsnormal, dem Spritzgießprobekörper aus rohem TPC, konnte die Shore-D-Härte um bis zu 14 Skalenwerte gesenkt werden. Beim Weichmacher mit dem stärksten Effekt handelte es sich um Dibutoxyethoxyethyladipat (DBEEA), einen Glykoletherester. Anhand der Fließkurven zeigte sich eine korrelierte Abhängigkeit der Viskosität von Temperatur und Weichmacheranteil. Zwischen den beiden Größen Härte und Viskosität bestand für DBEEA und annähernd auch für die anderen mit variierten Anteilen gemessenen Proben mit den Weichmachern Acetyltributylcitrat (ATBC) und PP 2755 eine exponentielle Korrelation. Im Rahmen der thermodynamischen Analyse konnte festgestellt werden, dass die Enthalpie der mit 15 % compoundierten Probe DBEEA gegenüber dem TPC-Rohmaterial im Mittel um fast 100 mJ/mg geringer liegt. Dies liegt in der Wirkung des Weichmachers auf die intermolekularen Kräfte begründet. Mithilfe der thermogravimetrischen Analyse (TGA) konnten der Füllstoffgehalt des untersuchten TPC-Rohmaterials Apinat sowie der Siedepunkt des Weichmachers DBEEA bestimmt werden. Bei der compoundierten Probe fiel die erhöhte Restmasse auf, für die keine plausible Erklärung gefunden werden konnte. Dieses beobachtete Phänomen bedarf somit weiterer Untersuchungen. Für die Bestimmung der Migrationstendenz des Weichmachers wurde die Probe für 72 h unter Standard-Labortemperatur von 23 ˚C mithilfe des Werkzeugs für den Druckverformungsrest auf Druck beansprucht. Anschließend wurde der Masseverlust bestimmt. Bereits ohne Erhöhung der Temperatur konnten Unterschiede zwischen den Proben identifiziert werden. Weiterhin erfolgte eine subjektive Beurteilung der Oberflächenbeschaffenheit der Proben. Stichworte: thermoplastische Copolyesterelastomere (TPC), Compoundierung
Untersuchung zum Einfluss des Granulier- und Sinterprozesses auf das Einschmelzverhalten amorpher SiO2-Rohstoffe. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
In dieser Arbeit wird die chemische Reinigung von amorphen SiO2-Granulaten mit HCl bei Temperaturen zwischen 700 ˚C und 1200 ˚C untersucht. Außerdem wird das Sinterverhalten bei Temperaturen zwischen 1000 ˚C und 1200 ˚C in Helium-atmosphäre, Luftatmosphäre und im Vakuum erforscht. Als Ausgangsstoff wird OX50 verwendet. Dieses Pulver besitzt eine spezifische Oberfläche von rund 50 m2/g. Durch die Granulation des Pulvers kommen ungewollte Verunreinigungen ins Granulat. Für der Herstellung von Kieselglas müssen diese weitestgehend beseitigt werden. Die chemischen Analysen der Heißchlorierung werden mit einem ICP-OES untersucht. Es wird gezeigt, dass Aluminium und Magnesium mit diesem Verfahren nicht beseitigt werden können. Die anderen Elemente können verringert werden. Die Sinterung wird benötigt, um die Rütteldichte der Granulate zu erhöhen. Damit diese für den Plasmaschmelzprozess genutzt werden können. Zudem führt eine höhere Rütteldichte zu einer Verringerung der Blasigkeit. Die Sinterung wird hinsichtlich Rütteldichte, Poreneigenschaften und Korngrößen untersucht. Dabei wird auf den Einfluss der Atmosphäre eingegangen. Durch die Sinterversuche können die Rütteldichten verdreifacht werden. Die höchste Rütteldichte beträgt 1,46 g/cm3. Dieser Wert ist exakt so groß wie die Rütteldichte vom Quarzsand, der für den Plasmaschmelzprozess verwendet wird. Zusätzlich kann die Porosität der Granulate wirksam verkleinert werden. Die Auswirkung des Sinterns auf die Blasigkeit und die Qualität des Kieselglases an sich, wird nicht bewertet.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Die vorliegende Arbeit setzt sich das Ziel, zu bestimmen ob mit dem Thermoscientific Nicolet iS5 ATR-Infrarotspektrometer zuverlässig Quarzsande bezüglich Verunreinigungen metallischer oder organischer Art identifiziert werden können. Der Fokus lag auf der Bestimmung der charakteristischen Banden von Quarz und eventuellen Verunreinigungen wie Titan und Kohlenstoff. Als unterstützende Methode kam unter anderem die Lichtmikroskopie der Quarzkörner zum Einsatz. Zusätzlich erfolgte die Bestimmung der Korngrößenverteilung über Siebung. Die Elementzusammensetzung der Quarzsande wurde über ICP-OES Messungen bestimmt. Mit der Glühverlustbestimmung waren der Feuchtigkeitsgehalt und die enthaltene Menge an organischen Verunreinigungen ermittelbar. Eine Differenzkalorimetrie zeigte eventuelle Strukturveränderungen auf. Alle Messungen erfolgten an fünf unterschiedlichen Quarzsanden. Die ATR-Infrarotspektroskopie wurde an folgenden Proben durchgeführt: - fünf verschieden Quarzsandproben, - 1 Quarzsand mit Titanoxid angereichert, - 1 Referenzrohstoff und daraus geschmolzenes Glas. Im Ergebnis der Untersuchungen können folgende Aussagen getroffen werden: das Vergleichen von einer Quarzsandprobe und der Sandreferenzprobe ermöglichte das Bestimmen von amorphen (glasigem) SiO2 und α-Quarz. Entsprechende Absorptionsbanden sind bestimmt worden. Beim Vergleich der titanoxidangereicherten Proben konnten die asym. Si-O-Ti, die asym. O-Ti-O und die sym. O-Ti-O Streckschwingungsbanden identifiziert werden. Dadurch war eine eindeutige Bestimmung der titanreicheren Probe möglich. Ein Vergleich zwischen der Sandreferenzprobe und einem daraus geschmolzenen Glas (ungeglüht und geglüht) ermöglichte die Identifizierung der Si-O-Si, der asym. Si-OH und der sym. Si-O Streckschwingungsbanden. Zusätzlich konnte der Verlauf des OH-Gehaltes in einem Quarzglas veranschaulicht werden.