Untersuchung des Einflusses von Nickelbeschichtungen auf die Laserstrahlschweißeignung von Kupferwerkstoffen. - Ilmenau. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die vorliegende Masterarbeit mit dem Titel "Untersuchung des Einflusses von Nickelbeschichtungen auf die Laserstrahlschweißeignung von Kupferwerkstoffen" beschäftigt sich mit Grundsatzversuchen an nickelbeschichteten Kupferproben mit der Zielsetzung, das Laserstrahlschweißverhalten der unterschiedlich aufgebrachten Nickelschichten zu analysieren und zu dokumentieren. Die Schweißversuche wurden an einer Laserzelle, die mit einem Sechsachsroboter der Firma KUKA ausgestattet ist, durchgeführt. An diesem sind eine Blackbird-Schweißoptik sowie ein IPG Faserlaser angeschlossen. Die Grundsatzversuche wurden an den Verschaltungen der Elektromotoren bzw. Statoren mit der ZF internen Bezeichnung "HX 243 HA" und "8P 4.Gen. PHEV" durchgeführt. Hierfür erfolgten drei unterschiedliche Beschichtungsmethoden. Diese gliederten sich in die galvanische Nickelabscheidung, chemische Nickelabscheidung und in die galvanische Nickel-Zinn-Abscheidung auf. Des Weiteren wurden die Schichten in drei unterschiedliche Schichtdicken 3 [my]m, 8 [my]m und 16 [my]m unterteilt. Bei den chemisch abgeschiedenen Nickelschichten erfolgte zudem eine Einteilung bezüglich des Phosphorgehaltes in niedrig-, mittel- und hoch phosphorhaltigen Schichten. Durch diverse Untersuchungsmethoden wie Sichtprüfung, Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, metallographischer Untersuchung, stellten sich zwei Schichten, zum einen die galvanische Nickelschicht mit 3 [my]m Schichtdicke und die chemische Nickelschicht mit 3 [my]m und niedrigem Phosphorgehalt, als zielführend heraus. Des Weiteren konnte im Zuge dieser Arbeit die Ursache des aktuellen Serienproblems der Verschaltung HX 243 HA bezüglich Oberflächenqualität und mangelhaftem Anbindungsquerschnitt festgestellt und Gegenmaßnahmen abgeleitet werden.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Phasenbildung in binären reaktiven Mehrlagenschichtsystemen ist ein komplexes mehrseitiges Thema. Man untersucht nicht nur Bildung von bestimmten Stoffen, sondern auch vielzählige dort stattfindende Prozesse, sowie Besonderheiten dieses einzelnen Multischichtsystems. In dieser Masterarbeit wird Phasenbildung von Siliziumkarbid in verschiedenen Mehrlagenschichtsystemen untersucht. Die Industrie fordert neue, gute, günstige und schnelle Lösungen für elektronische Geräte, die für Einsatz bei höheren Temperaturen und Strahlung geeignet sind. Materialien mit einer großen Bandlücke (elektrische Leitfähigkeit des Materials) werden hier als eine gute Alternative betrachtet. Siliziumkarbid erfüllt viele dieser Anforderungen, wie Temperaturtoleranz und Behalten seiner Funktionsfähigkeit unter schwierigen Umfeldbedingungen. Ein Beispiel aus der Industrie. Tayota und weitere größere Konzerne arbeiten kontinuierlich an der Entwicklung von neuen Hybridautos, die weniger CO2 ausstoßen. Aktuelle technologische Entwicklung in diesem Bereich weist in Richtung Hochleistungsgeräte. Ein Gebiet, wo Siliziumkarbid ausgezeichnete Charakteristiken aufweist. Kimonora Hamada [1] belegt, dass der Stoff dank seiner Eigenschaften, wie die Möglichkeit, schnell seine Charakteristik umzuschalten, zur Verbesserung des Kühlsystems und so zum ökonomischen Gewinn verhelfen kann. Dennoch sollte man berücksichtigen, dass Siliziumkarbidherstellungskosten für die Industrie im Vergleich zu etablierten Materialen zu hoch sind, demzufolge nur Substitute verwenden werden. Hier sieht die Wissenschaft ihre Chance und Herausforderung, die Herstellung von Siliziumkarbid zu erforschen und umzusetzen. Das Interesse an Siliziumkarbid ist mit Verbesserung der Herstellungsmethoden gestiegen. Ursprüngliche Herstellungstechniken konnten keine benötigte Reinheit des Siliziumkarbids liefern. Aus diesem Grund war die Forschung am Siliziumkarbid nicht weiter von Interesse. Mit Modifikation der alten und Entwicklung der neuen Herstellungsmethoden wurden Eigenschaften von Siliziumkarbid neu entdeckt. Siliziumkarbid ist nämlich dank seiner einmaligen Eigenschaften besonders gut für Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperaturanwendungen geeignet. Die siliziumkarbidbasierten Geräte, zum Beispiel in Hochleistungssystemen, wären kleiner und leichter als siliziumbasierte. Auch unter extremen Bedingungen findet Siliziumkarbid seinen Platz. Toleranz für Strahlung und schädliche Gase spielen eine entscheidende Rolle. Die Herstellung von Siliziumkarbid ist heutzutage anspruchsvoll und teuer, und findet bei hohen Temperaturen, manchmal über 2000 ˚C, statt. Es werden ständig neue günstigere Methoden gesucht. Selbsterhaltende Hochtemperatur Synthese (Self-Propogating High-Temperature Synthesis) in binären Silizium/Kohlenstoff Mehrlagenschichtsystemen in Kombination mit Magnetron Sputtering und Rapid Thermal Processing könnte diese Anforderungen erfüllen. Diese als effizient bekannte Methode eignet sich gut für die Produktion von Ni-Al, Ni-Ti Systemen. Bei selbsterhaltender nochtemperatur Synthese werden Reagenten durch äußere Einwirkung zu Reaktion gezwungen, um sodann durch exotherme Reaktionswärme zu einem neuen Produkt zu werden. Das Prinzip wird in dieser Arbeit auch für hergestellte Multischichtsysteme angewandt. Es ist zu erwarten, dass in Silizium- und Kohlenstoffschichten bei selbsterhaltender nochtemperatur Synthese eine Reaktion erzeugt wird. Diese Reaktion soll unten relativ niedrigen Temperaturen stattfinden und zu Bildung des Siliziumkarbid führen. Die Arbeit gliedert sich in 4 Teile. Die Kapitel 1.1 und 1.2 beschäftigen sich mit Eigenschaften und Herstellungsmöglichkeiten von Siliziumkarbid. Es werden eine Analyse und Vergleich der Eigenschaften von Siliziumkarbid mit denen anderer Halbleiter durchgeführt. Im Kapitel 1.3 werden Anwendungsmöglichkeiten des Siliziumkarbids in Detail erläutert. Herstellung der Multischichtsysteme und Reaktionsmechanismen innerhalb dieser werden im Kapitel 2 vorgestellt. Herstellung der Multischichtsysteme wird mittels Direct Current Magnetrom Sputtering durchgeführt. Die so erzeugten Multischichtsysteme werden in dem Kapitel 3 beschrieben. Das Kapitel stellt auch Messanlage und Messmethode, wie Röntgendiffraktometrie und Rasterelektronmikroskop, sowie Durchführung von Versuchen dar. Herausforderungen für die Röntgendiffraktometrie der dünnen Schichten werden beschrieben und Lösungen für das Problem erarbeitet. Kapitel 4 fasst alle Ergebnisse zusammen. Die Bedingungen für Entstehung des Siliziumkarbids werden bestimmt. Die Korngrößen und Intensitäten werden für alle relevanten Temperaturbereiche gemessen und analysiert. Nicht nur Bildung von Siliziumkarbid wird untersucht, sondern auch kristallisiertes Silizium. Das letzte wurde nämlich bei einem Multischichtsystem entdeckt. Auch werden Querschnittsaufnahmen gemacht, um Bildung von Siliziumkarbid besser nachzuvollziehen. Oberfläche der getemperten Proben wird mittels Rasterelektronenmikroskop ausgemessen.
Preparation of microstructured optical fibers with a Ce3+:YAG glass ceramic core. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Seit einigen Jahren wird Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) zunehmend in Weißlicht-LEDs oder als Laser-aktives Material eingesetzt. Eine Glasfaser mit Ce3+:YAG-Kristalliten im Faserkern könnte in der Faser blaues Laserlicht in weißes Licht umwandeln und stünde als miniaturisierte, flexible Weißlichtquelle für verschiedenste Anwendungen zur Verfügung. Die einfache Kern-Mantel-Struktur herkömmlicher optischer Glasfasern ist jedoch nicht ideal zum Führen des erzeugten Weißlichts. Diese Masterarbeit widmet sich der Entwicklung und Herstellung von mikrostrukturierten Glasfasern, die das Prinzip der Totalreflexion in der Glasfaser nutzen, um die Weißlichtausbeute der Faser zu erhöhen. Diese Art von Faser kann als mikrostrukturierte Glasfaser mit einem Ce3+:YAG-Glaskeramikkern bezeichnet werden. Zur Herstellung der Preform der mikrostrukturierten Glasfaser mit Ce3+:YAG-Glaskeramikkern werden verwendet: ein AR-Glasrohr mit einem Außen-/Innendurchmesser von 8/7 mm als äußerer Mantel, 6×AR-Glasrohre mit einem Außen-/Innendurchmesser von 1,4/1,2 mm als mittlerer Mantel, ein AR-Glasrohr mit einem Außen-/Innendurchmesser von 4/3 mm als innerer Mantel und Ce3+:YAG-Pulver + SF57-Glaspulver als Kernteil der Preform. Das gemischte Pulver im Kern der Preform muss mit einer hydraulischen Presse zu Zylindern gepresst und dann in die Preform gefüllt werden. Zur Optimierung des Faserziehprozesses wurden die Preformmaterialien und die Faserziehparameter variiert. Verschiedene Mikrostrukturdesigns wurden getestet. Das vielversprechendste Mikrostrukturdesign ist eine geometrische Struktur mit nur 6 AR-Glasrohren als Zwischenmantel.
Influence of a laser focus shift on the laser powder bed fusion process. - Ilmenau. - 112 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In diese Masterarbeit wird der Einfluss eines Laser Fokus-Shifts, das sogenannte Wobbling, auf den Laser Powder Bed Fusion Prozess und auf die Proben selbst untersucht. Die Änderung der Fokuslage wird dabei über einen mit Linsen ausgestatteten Tauchspulenaktor hervorgerufen. Um den Einflusses zu bewerten, werden sowohl Versuche ohne Pulver durchgeführt, um festzustellen, wie sich das Wobbling auf das feste Substratmaterial auswirkt, als auch die eigentlichen Versuche mit Pulver, um die Eignung des Wobblings für einen realen Prozess in der Additiven Fertigung zu evaluieren. Während der Versuchsreihen werden drei wesentliche Wobbling Parameter verändert. Die Offset Spannung dient zum Einstellen der Linsenposition und damit der Haupt-Fokuslage. Über die Amplitudenspannung wird der Bewegungsbereich der Linsen um die eingestellte Position und damit der eigentliche Fokus-Shift des Lasers definiert. Durch Anpassen der Wobbling Frequenz wird festgelegt, wie schnell sich der Fokus in dem definierten Bereich um die definierte Position verschieben soll. Die hergestellten Proben werden anschließend mikroskopisch begutachtet und danach metallografisch bearbeitet. Dazu zählt das Trennen der einzelnen Proben, das Einbetten, Schleifen und Polieren sowie eine erneute mikroskopische Begutachtung. Durch die Untersuchungen kann ein Einfluss des Fokus-Shifts auf das Gefüge und auf die Schichthomogenität ermittelt werden. Durch das Wobbling ist es in-situ möglich innerhalb der Probe lokale Gefügeänderungen zu induzieren, indem die Energiedichte durch die Fokuslage verändert wird. Durch die Veränderung der Fokuslage über den Ort kann somit mittels verschiedener Frequenzen das Gefüge beschrieben werden. Neben der Beeinflussung der Probeneigenschaften zeichnet sich außerdem der Vorteil heraus, dass der Prozess allgemein beschleunigt werden kann durch das zusätzliche Beaufschlagen einer z-Bewegung zu der eigentlichen x-y Bewegung des Lasers. Der Spurabstand der einzelnen Scanpfade kann wesentlich höher gewählt werden im Vergleich zu konventionellen Additiven Fertigungsverfahren ohne dabei die Haftung zwischen den einzelnen Pulver tracks zu verschlechtern.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Der Verkehrssektor stellte im Jahr 2020 den drittgrößten CO2-Produzenten in Deutschland dar. Eine Möglichkeit in diesem Sektor Emissionen zu senken, besteht im Umstieg auf die Elektromobilität. Trotz eines großen Angebots an elektrisch angetriebenen Automobilen diverser Hersteller, schließen nach wie vor viele Menschen die Anschaffung eines batterieelektrischen Fahrzeugs für sich aus. Aus diesem Grund ist es nötig, Kaufanreize zu schaffen. Eine Möglichkeit besteht hierbei in der Verkürzung der Ladezeit und einer Steigerung der Batterielebensdauer. Bei beiden Aspekten stellt die Alterung der Lithium-Ionen-Batterie in Folge des Auftretens von Lithium-Plating ein großes Problem dar. Aus diesem Grund wurde der Degradationsmechanismus im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Auf Basis einer Erprobung und Optimierung von Laborzellen, welche für entsprechende Versuche eingesetzt werden sollten, war es das Ziel im Anschluss den Einfluss von Druck und Temperatur auf das Platingverhalten zu untersuchen. Mit Hilfe der Anwendung von Coulometrie und elektrochemischer Detektion konnte gezeigt werden, dass mit sinkender Temperatur das Plating-Verhalten zunimmt. Versuche zum Druckeinfluss konnten hingegen nicht durchgeführt werden, da in den dafür vorgesehenen Laborzellen kein Plating erzeugt werden konnte. Hierfür wurde jedoch durch die Neukonstruktion eines Laborzellenformats eine mögliche Grundlage geschaffen, um dies künftig weiter erforschen zu können. Abschließend wurde unter Einsatz einer Nutzwertanalyse ein Vergleich angestellt und gezeigt, dass eine weitere Optimierung des betreffenden Zellaufbaus sinnvoll ist.
Fertigung eines Seal & Divide-Instrumentes mittels Rapid Prototyping. - Ilmenau. - 101 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In Vorbereitung der Entwicklung eines neuen laparoskopischen Einmalinstrumentes, soll ein Produkt-Prototyp entwickelt werden. Der Prototyp soll als Bipolares Seal & Divide Instrument, zum Koagulieren und Präparieren von Geweben ausgeführt werden. Um die Entwicklungskosten und die Iterationszeiten möglichst kurz zu halten, kommt für die Werkzeug- und Bauteilentwicklung die additive Fertigung zum Einsatz. Zur vollständigen Fertigung des Prototypen kommen die Fertigungsverfahren Tiefziehen, Ätzen, Laserschweißen, Widerstands-Punktschweißen, Keramik-Beschichten und Kunststoff-Spritzguss zum Einsatz. Die additive Fertigung kommt bei der Werkzeug-Entwicklung der Umformprozesse, des Widerstands-Schweißprozesses und der Bauteilgeometrie Entwicklung für die Kunststoff-Spritzgussprozesse zum Einsatz. Erfolgsentscheidend ist dabei die Qualität der mittels Umformung hergestellten Maulteil-Klauen und -Elektroden aus Blech. Das Ziel ist es, die Fertigungsprozesse bereits während Prototypenentwicklung möglichst seriennah auszulegen, um bei der Qualifizierung der Prozesse und Werkzeuge für die spätere Serienproduktion Zeit zu sparen.
Untersuchungen zum Ätzangriff eines fotostrukturierbaren Glases in fluorbasierten Ätzprozessen. - Ilmenau. - 97 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem letzten Prozessschritt der Mikrostrukturierung des fotostrukturierbaren Glases FS21 - dem Ätzen. FS21 besitzt fotosensitive Eigenschaften, weshalb nach vorheriger partieller UV-Belichtung und Temperaturbehandlung nur in den belichteten Bereichen Lithiummetasilicatkristalle entstehen. Durch Anwendung von nasschemischen Ätzprozessen mit verdünnter Fluorwasserstoffsäure wird ein bevorzugter Ätzangriff der kristallisierten Bereiche erzielt. Durch Anwendung eines trockenchemischen Ätzprozesses mit fluorbasierten Ätzgasen wird hingegen eine umgekehrte Ätzselektivität beobachtet. Zur Aufklärung der umgekehrten Ätzselektivität werden basierend auf der Literatur und eigenen Annahmen zwei Hypothesen aufgestellt. Zum einen wird angenommen, dass die lokale Verfügbarkeit von Wasserspezies an der Grenzfläche für die umgekehrte Ätzselektivität bei trockenchemisch geätzten Proben verantwortlich ist. Aus diesem Grund werden die beiden betrachteten Ätzverfahren hinsichtlich des Gehalts an Wasserspezies in den Ätzmedien variiert. Es folgt die Analyse der geätzten Probenober- und bruchflächen durch REM-, AFM-, FTIR-ATR- und SNMS-Analysen, sowie die Bestimmung der Ätzraten. Zum anderen wird angenommen, dass durch trockenchemische Ätzprozesse Oberflächenpolymere abgeschieden werden, die in Kombination mit rückgesputterten Substratteilchen nur in den kristallisierten Bereichen selbstmaskierende Eigenschaften besitzen. Zur Untersuchung dieser Annahme werden das polymerisierende Ätzgas CF4 und das nicht polymerisierende Ätzgas SF6 eingesetzt und die erzeugten Polymerschichten ebenfalls durch REM, SNMS und FTIR-Analysen untersucht. Es wird deutlich, dass die Morphologie der geätzten Oberfläche von den Eigenschaften des unterliegenden Substrats abhängig ist und sich innerhalb der Glas- und Glaskeramikbereiche stark unterscheidet. Abschließend wird die Vermutung aufgestellt, dass Polymerschichten, die auf den Glaskeramikbereichen erzeugt werden, mechanische Eigenschaften aufweisen, die einem physikalischen Angriff besser Stand halten als Polymerschichten, die auf den Glasbereichen abgeschieden werden. Auf dieser Grundlage werden nur die Glaskeramikbereiche selbstmaskiert, weshalb sich die Ätzselektivität insgesamt im Vergleich zum Nassätzen umkehrt.
Optimization of a glass composition for synthesis of Ce3+:YAG crystallites. - Ilmenau. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In den letzten Jahren wurde Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) in immer mehr Produkten wie weißen LEDs, Lasern, oder in der Weißlichtinterferometrie angewendet. Viele bestehende YAG-Herstellungsverfahren sind komplex und einige erfordern sogar stark ätzende chemische Reagenzien. Die Herstellungstemperaturen sind oft extrem hoch. Diese Arbeit versucht, YAG aus einem Glas mit traditionellen ungiftigen Methoden zu synthetisieren und diese Methode zu optimieren. Die Glaszusammensetzungen basieren auf dem Y2O3-Al2O3-SiO2-System. ZrSiO4, Ti2O3, NH4F und H3BO3 werden zugegeben, um den Schmelzpunkt der Glaszusammensetzungen zu senken (NH4F, H3BO3), oder um die Kristallisation von YAG als einziger Kristallphase zu fördern (ZrSiO4,Ti2O3). Daher kann eine Anpassung des Anteils dieser Additive bis zu einem gewissen Grad die YAG-Synthese optimieren. Aus dem Glassystem SiO2/Al2O3/Y2O3/CaO konnte kein YAG kristallisiert werden. YAG konnte bei ca. 1375 ˚C im Glassystem SiO2/Al2O3/Y2O3/AlF3 kristallisiert werden. Aus der Zusammensetzung mit 35 mol% SiO2, 36,5 mol% Al2O3, 20 mol% Y2O3, 1 mol% CeO2, 14,4 mol% NH4F, 2,5mol% B2O3 konnte bei 1039 ˚C ausschließlich die YAG-Phase kristallisiert werden.
Nanometallurgic evolution of solid-state dewetted Au nanostructures made by oblique angle deposition. - Ilmenau. - 66 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Solid-state Dewetting (SSD) ist eine einfach Methode zu Herstellung metallischer Nanopartikel. Unglücklicherweise bilden diese Partikel normalerweise keine geordneten Arrays auf flachen, unstrukturierten Substraten, weshalb die Substrate mit teuren, zeitaufwendigen 2D-Fertigungsmethoden strukturiert werden müssen. Eine Alternative zu diesen Methoden könnten nanostrukturierte Dünnschichten sein, welche mittels einer Abscheidung in schrägen Winkeln (oblique angle deposition (OAD)) hergestellt werden. Diese Schichten bilden eine Oberfläche aus Bündeln von Nanosäulen in periodischer Anordnung, welche als Vorlage für die Herstellung von Nanopartikeln via SSD dienen könnte. Diese Idee wird in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe von verschiedenen nanostrukturierten Golddünnschichten auf flachen Si/SiO2-Substraten, welche mittels OAD in zwei unterschiedlichen Winkeln abgeschieden worden, untersucht. Der Einfluss dieser Abscheidungsparameter auf den SSD-Prozess von Gold wird anhand der Veränderungen der Morphologie und der optischen Eigenschaften aufgezeigt. Es wird gezeigt, dass die Abscheidungsparameter zur Einstellung des Template-Effekts verwendet werden können. Der Abscheidungswinkel zeigt einen größeren Einfluss als die Struktur der Nanosäulen.
Multible Quantentopf-Strukturen aus III-V-Halbleitern für den Einsatz in Si-basierten Tandemkonzepten. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Durch die Kombination von Silizium als Absorber der unteren Zelle und multiplen GaAs_0,8 P_0,2/GaP-Quantentopf-Strukturen als Absorber der oberen Zelle können wettbewerbsfähige und hocheffiziente Tandemsolarzellen gewonnen werden. Im Rahmen der Arbeit wurden solche Quantentopf-Strukturen mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung hergestellt und hinsichtlich des Arseneinbaus, Schichtrelaxation und der Schärfe der GaAs_0,8 P_0,2/GaP-Grenzfläche untersucht. Die gefertigten Strukturen wurden in situ mittels Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS) und ex situ mittels Photolumineszenz-Spektroskopie und hochauflösender Röntgendiffraktometrie analysiert und charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass das Wachstum solcher Quantentopf-Strukturen komplexe Schaltsequenzen der Präkursoren erfordert, um eine ausreichende Grenzflächenqualität der Struktur zu erreichen. Zudem wurde gezeigt, dass die Quantentopf-Strukturen, gewachsen auf der gradierten Pufferstruktur, das Photolumineszenz-Signal verbessern. Die Ergebnisse der Photolumineszenz-Signale können mit den Ergebnissen der RAS-Messungen korreliert werden. Die Probe mit der stärksten Intensität und der geringsten Halbwertsbreite bei den Photolumineszenz-Messungen hat das stabilste RAS-Signal während des Wachstumsprozesses.