Bachelorarbeiten

Beim Prozess des Spritzgießens geht der Trend in Richtung immer kürzerer Zykluszeiten. Dies betrifft auch die Zeiten, in denen ein fertiges Formteil aus der Spritzgussmaschine entnommen wird. Im Labor des KTI werden momentan die Spritzgussteile lediglich in einen Auffangbehälter fallen gelassen. Um ein dadurch mögliches Beschädigen der Formteile zu vermeiden, soll ein Roboter inklusive Greifer an der Spritzgussmaschine angebracht werden, der das fertige Teil entnimmt und in Bezug auf eine anschließende Qualitätskontrollstrecke präzise in verschiedenen Lagen positioniert. Dieser sollte dem Trend der kurzen Zykluszeiten folgen, um Totzeiten aufgrund einer Verzögerung des Entnahmeprozesses zu vermeiden. Im Rahmen dieser Arbeit soll deshalb ein Robotergreifer aus Faserverbundkunststoff in Leichtbauweise entwickelt und konstruiert werden. Die Ausschöpfung von Leichtbaupotentialen ist daher von Vorteil, da eine Gewichtsreduktion des Greifers insgesamt zu einer Reduktion der bewegten Masse führt und somit zu einer möglichen Verbesserung der Greifdynamik. Der Entnahmegreifer wird dabei mittels entwicklungsmethodischer Ansätze wie beispielsweise dem Entwurf verschiedener Technischer Prinzipe entwickelt und anschließenden in einer Konstruktion umgesetzt. Zudem werden verschiedene mögliche Faserverbund-Materialien miteinander verglichen und eine Verformungs- und Spannungsanalyse durchgeführt, um eine bestmögliche Auswahl bezogen auf Gewicht und Festigkeiten zu treffen. Des Weiteren wird die benötigte Griffkraft für verschiedene Handhabungsrichtungen und Gewichte der Formteile berechnet. Eine Fertigung und abschließender Test des Greifers sind aufgrund technischer Probleme des vorhandenen Roboters nicht möglich und werden durch eine theoretische Betrachtungsweise ersetzt. Die Erkenntnisse werden mit herkömmlichen Greifern verglichen und eine Aussage darüber getroffen, inwieweit die Massereduktion tatsächlich einen Vorteil bringen könnte.

Der Aufbau von Ablagerungen in Rohrleitungen ist ein großes Problem für zahlreiche Industriebranchen, wie z.B. bei der Abwasserbehandlung und Wasserentsalzung. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Problematik, die sich aus der Abscheidung von Salzinkrustationen in industriellen Rohrleitungssystemen ergibt. Salzinkrustationen führen zu den Druckverlusten und zur Reduzierung des Durchflusses in den Rohren, sowie zur Erhöhung des Energieaufwandes in der Pumpenanlage. Zur Bekämpfung der Ablagerungen in Rohleitungen ist eine Vielzahl von Verfahren bekannt. In dieser Arbeit wurde die Wirkung eines magnetischen Feldes auf Kristallisation untersucht. Der Kristallisationsgrad in der Salzlösung wird durch unterschiedliche wichtige Reaktionsparameter wie Temperatur, Druck, Verunreinigungen, chemisches Potential und elektrische Leitfähigkeit der Lösung beeinflusst. In Experimenten wurde Einfluss des magnetischen Feldes, der Temperaturänderung, von Fremdstoffen auf Kristallisationsvorgang der Grubenlauge untersucht, sowie pH-Wert und Leitfähigkeit gemessen und analysiert. Die pH-Wert- und Leitfähigkeitsanalyse von Grubenlauge wurde mit Hilfe eines Multiparameter-Tischmessgerätes durchgeführt. Dabei kann festgestellt werden, dass durch Temperaturerhöhung die Leitfähigkeit auch zunimmt, was durch Auflösung von Kristallen und somit höhere Beweglichkeit von Kristallteilchen erklärt werden konnte. Der pH-Wert hat sich dabei nicht drastisch geändert und ist bei dem Wert 4 geblieben. Bei der Kristallisation ist die Änderung des pH-Wertes umgekehrt proportional zur Temperatur. Des Weiteren ändert das Hinzufügen von Fremdstoffen in die Lösung die Kristallisationskinetik. Die gleichionige Zusätze verstärken Kristallisationsvorgänge, während die fremdginge Zusätze verlangsamen. Die Versuche wurden in einem Teststand mit stets zirkulierender Grubenlauge sowohl in einem Volumen von 1 m3, als auch in einem Behälter mit dem Volumen von 40 ml Lösung durchgeführt. Die Versuche im Teststand zeigten, dass ohne thermischen oder chemischen Schock sich keine Kristallschichten an den Innenwänden der Rohrleitungen bilden. Somit waren weitere Untersuchungen der Kristallisationsvorgänge im Testsystem nicht realisierbar und wurden unterbrochen. Durch Experimente in kleinen Bechern konnte bestätigt werden, dass die magnetische Behandlung die Kristallisation verstärkt. Die Ergebnisse gelten nur unter Berücksichtigung der physikalischen und chemischen Bedingungen sowie Verwendung der Materialen, die in der vorliegenden Arbeit untersucht wurden.

Zielstellung dieser Arbeit ist die Erstellung von Auslegungsrichtlinien für Frontalzusammenstoß-relevante Fahrzeugbauteile. Diese sollen leichtbaugerecht aus Aluminiumschäumen und faserverstärkten Thermoplasten hergestellt werden und eine hohe massenspezifische Energieabsorption aufweisen. Zunächst erfolgt eine Darstellung der aktuellen Forschungsarbeiten. Anschließend werden die zu verwendenden Werkstoffe hinsichtlich ihres Verformungsverhaltens unter dynamischen Druckbelastungen charakterisiert. Aluminiumschäume zeigen über einen großen Stauchungsbereich eine quasi-konstante Druckspannung und eignen sich daher hervorragend, um im Crashfall hohe kinetische Energien umzuwandeln. Faserverstärkte Thermoplaste werden zur Positionierung und lokalen Verstärkung der Aluminiumschaumstruktur eingesetzt. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden mehrere Crashelement-Konzepte entwickelt, verglichen und bewertet. Zum Abschluss erfolgt eine beispielhafte Auslegung für ein konkretes Crashelement.

Da fossile Energieträger durch ihre Begrenztheit und ihre schädliche Wirkung auf die Umwelt keine nachhaltige Energieversorgung darstellen und die menschliche Zivilisation durch die Verursachung des Klimawandels langfristig bedrohen, ist ein Umdenken in der Art der Energieversorgung dringend nötig. Gleiches gilt für die konventionelle Atomenergie, welche ebenfalls nur begrenzt auf diesem Planeten zur Verfügung steht. Des Weiteren kann es bei dieser jederzeit zu einem GAU (größter anzunehmender Unfall, wie in Tschernobyl oder Fukushima) kommen. Soll der Energiebedarf der Menschheit auf nachhaltigere und weniger umweltschädliche Weise gedeckt werden, ist man auf erneuerbare Energien, wie Windkraft, Photovoltaik, etc. angewiesen. Die Konkurrenzfähigkeit von Photovoltaikanlagen hängt entscheidend vom Wirkungsgrad der verbauten Zellen ab. Möchte man den Wirkungsgrad einer Solarzelle verbessern, so ist man bei konventionellen Zellen mit nur einem Absorber und ohne Konzentration des Lichtes, durch das Shockley-Queisser-Limit auf ca. 30 % begrenzt. Um Zellen mit höheren Wirkungsgraden zu erreichen, ist es z.B. möglich, Halbleiter mit unterschiedlichen Bandlücken monolithisch zu kombinieren, also Heterostrukturen zu verwenden. Dabei wird durch die unteren Teilzellen ein größerer Teil des Spektrums genutzt, während bei den oberen eine niedrigere Thermalisierung (also die Umwandlung der Photonenenergie, welche über die der Bandlücke hinaus geht, in Wärme) auftritt. Ein möglicher Ansatz basiert auf einer Heterostruktur aus Silizium mit einer Bandlücke von EG = 1,1 eV und einer Gitterkonstante von [alpha] = 5,43 Å und Galliumphosphid (EG = 2,25 eV, [alpha] = 5,45 Å), da beide eine sehr ähnliche Gitterkonstanten haben. Im Idealfall sollte die Topzelle eines Tandems mit Si als Unterzelle allerdings eine Bandlücke von ca. 1,7 eV aufweisen, so dass zum Beispiel GaAsP geeignet wäre, wobei das anfängliche GaP als Pufferschicht dienen kann, auf der ein gradierter Puffer mit steigendem Arsengehalt aufgewachsen werden kann. Die Vorteile von Silizium als Substrat sind unter anderem ein vergleichsweise günstiger Preis, gute Verfügbarkeit und dass es bereits gut erforscht ist. Es kann vorteilhaft sein, das Substrat zunächst mit einer Arsenschicht zu terminieren. Dadurch lassen sich auf dem Si-Substrat Doppelstufen (die man für die III-V-Heteroepitaxie benötigt) bei einer niedrigeren Temperatur erzeugen, als bei der typischerweise bei MOCVD-Präparation verwendeten Wasserstoffterminierung. Dadurch lassen sich Prozessdauer und -temperatur reduzieren. Zudem lässt sich in dem für die Abscheidung von GaAsP genutzten MOCVD-Reaktor ein Arsenhintergrund kaum vermeiden. Daher ist eine kontrollierte Terminierung durch eine Arsenschicht sinnvoller, als unkontrollierte Arsenverunreinigungen in Kauf nehmen zu müssen. Für eine kontrollierte Arsen-Terminierung der Oberfläche ist ein genaues Verständnis dieses Prozesses sehr wichtig. Insbesondere ist von Interesse, welche Bindungen die Oberflächenatome eingehen und welche Stufen auf der Probe vorhanden sind. STM-Messungen zeigten, dass die Oberflächenatome Dimere ausbilden und ließen aufgrund asymmetrischer Struktur weiterhin vermuten, dass es sich um As-Si-Dimere handeln könnte. Dies sollte nun genauer untersucht werden. Eine Arsenterminierung von Ge(100)-Oberflächen, welche bereits als Substrat für effizientere Solarzellen etabliert ist, hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, da sich die Probeneigenschaften je nach Arsenquelle sehr präzise einstellen lassen. In dieser Arbeit werden mithilfe von STM-Messungen arsenterminierte Si(100)-Oberflächen mit einer Fehlorientierung von 0,1˚ und arsenterminierte Ge(100)-Oberflächen mit einer Fehlorientierung von 6˚ auf ihre atomare Struktur hin untersucht.

In der vorliegenden Arbeit sind die Ergebnisse von Messungen der Magnetostriktion, der elektrischen Leitfähigkeit und der Struktureigenschaften von gesputterten Eisen-Cobalt-Multilagenschichten zusammengestellt. Dabei wurde sich speziell auf die Magnetostriktionsbestimmung konzentriert und versucht, den dafür verwendeten Messaufbau zu bewerten. Substrate für die Proben bestanden aus streifenförmigem Silizium oder Borosilikatglas, auf welche eine 500 nm dicke Multilagenschicht aus Eisen und Cobalt mit Periodendicken von 25 nm und 250 nm aufgebracht wurden. Die Siliziumsubstrate waren zusätzlich mit einer Diffusionsbarriere aus Siliziumdioxid versehen. Als Haftschicht diente eine dünne Chromschicht. Die Schichten der Probenstreifen wurden mittels DC-Magnetronsputtern in Argongas hergestellt. Zwischen einigen Untersuchungen wurden die Proben zudem bei 450 ˚C, 500 ˚C und 800 ˚C kurz in einer Rapid Thermal Processing Einheit wärmebehandelt. Die Magnetostriktion wurde über eine Auslenkungsbestimmung der Streifen als Biegebalken an einem Laserprofilometer bestimmt. Die magnetostriktive Schicht befand sich dabei innerhalb einer Spule, deren Magnetfeld sich kontrolliert änderte. Mit weiteren Untersuchungen konnten die Schichten charakterisiert und Zusammenhänge zur Struktur gefunden werden. Dabei kam die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Schicht mittels linearer Vier-Spitzen-Methode zum Einsatz. Im Rasterelektronenmikroskop wurden die Morphologie und die Zusammensetzung mittels energiedispersive Röntgenspektroskopie analysiert und die Kristallstruktur durch eine Untersuchung an einem Röntgendiffraktometer interpretiert. Zudem konnten die inneren Spannungsänderungen der Schichten durch die Wärmebehandlung berechnet werden. Die Multilagenschichten besitzen eine maximale Magnetostriktion von etwa -50 ppm und die getemperten Schichten eine Magnetostriktion von 50 ppm. Es ist zudem eine Änderung der Kristallstruktur erkennbar und es konnte eine Bildung von kubisch flächenzentriertem Kobalt-reichen Phasen nachgewiesen werden. Durch die Wärmebehandlung wurde die Spannung in den Schichten gesenkt. Die Messung der elektrischen Eigenschaften brachte Erkenntnisse über die Veränderung der inneren Struktur hervor. Bei 800 ˚C ist die Interdiffusion der einzelnen Schichten sowie die Legierungsbildung maximal und die elektrische Leitfähigkeit nimmt parallel dazu ab.