Numerische und experimentelle Methoden zur Evaluation von statischen Dichtungskonzepten für die Vermeidung korrosiver Dichtungsunterwanderung in hoch beanspruchten Bauräumen (Statische Abdichtung metallischer Elektronikgehäuse). - Ilmenau. - 115 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Diese Arbeit beschreibt den Entwicklungsprozess einer numerischen und experimentellen Methodik zur Evaluierung von statischen Dichtungskonzepten zur effizienteren Bewertung virtueller Konstruktionsansätze. Bereits in frühen Entwicklungsphasen muss der Einfluss von geometrischen Festlegungen wie z.B. Verschraubungspositionierungen, insbesondere bei Dichtsystemen analysiert werden. Eine mögliche korrosive Unterwanderung der Dichtung bei z.B. Elektronikgehäusen kann zu einer Flüssigkeitskontaminierung funktionswichtiger Komponenten und dadurch zum Ausfall dieser führen. Entscheidend dabei ist, die Gestaltung des gesamten Dichtsystems inklusive Gehäuse- und Dichtungsmaterialien aber auch des geometrischen Aufbaus mit entstehenden Spalten. Zugrunde liegt die Annahme einer Korrosionsabhängigkeit von der Spalthöhe unmittelbar vor der Dichtung, da sowohl der Flüssigkeitsbenetzungsprozess durch den Kapillardruck als auch der Rücktrocknungsprozess beeinflusst werden. Eine Kopplung verschieden großer Kapillaren führt zu Unterschieden im Rücktrocknungsprozess des Spaltelektrolyten. Die verzögerte Rücktrocknung kleiner Kapillaren führt zu einer Verlängerung der Elektrolytreaktionszeit und resultiert in einem gesteigerten Abtragsprozess. Mithilfe numerischer FEM-Berechnungen und experimenteller Analysen werden Einflussparameter für die Entstehung ungünstiger Spalthöhen unmittelbar vor der Dichtung ermittelt. Die Durchführung von Druckmessfolien-Versuchen ermöglicht die Validierung der FEM-Simulationsergebnisse hinsichtlich resultierender Kontaktbereiche zwischen den Dichtsystembauteilen. Durch computertomographische Untersuchungen können nach der Montage der Dichtsystemkomponenten, in-situ die entstehenden Spaltöffnungen analysiert werden. Mithilfe der Durchführung von neutralen Salzsprühnebel-Versuchen nach DIN-EN-ISO 9227, konnte der Einfluss eines konstanten vor der Dichtung geöffneten Spaltes auf die Korrosion ermittelt werden. Es wurden Spalthöhen, ausgehend vom Standard-Spalt durch die Originalbedingungen und 0,09; 0,15; 0,25 und 0,3 [mm] eingestellt. Es wird aufgezeigt, dass konstant geöffnete Spalten vor der Dichtung zu einer Verbesserung der Unterwanderungsbeständigkeit führen. Eine Kopplung von ungleichmäßigen Kapillaren kann so verhindert werden, um den Rücktrocknungsprozess gleichmäßig zu gestalten. Aus den Ergebnissen abgeleitet werden konnte des Weiteren ein Beitrag zu einer internen Konstruktionsrichtlinie.
Beschichtung von Bipolarplatten für die Sauerstoff-Elektrode in PEM-Elektrolyseuren. - Ilmenau. - 123 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Die Wandlung elektrischer Energie aus regenerativen Quellen bietet eine gute Möglichkeit, um auf zukünftige Überangebote oder Engpässe in der Energielieferung reagieren zu können. Eine Möglichkeit dafür ist die Wandlung in chemische Energie in Form von Wasserstoff. Die emissionsfreie Erzeugung des Wasserstoffs ist unter anderem mit Proton-Exchange-Membran (PEM)-Elektrolyseuren möglich. Zukünftig kann Titan als Bipolarplattenmaterial in PEM-Elektrolyseuren durch kostengünstigeren und leichter mechanisch zu bearbeitenden Edelstahl ersetzt werden. Im Zuge dieser Arbeit wird der Edelstahltyp 1.4404 galvanisch beschichtet, um diesen bei Kontakt mit sauren Medien bei gleichzeitig anodischen Potentialen von bis zu 2,0 V vor Korrosion zu schützen. Dafür werden Beschichtungen aus Gold, Platin sowie einer Zinn-Nickel-Legierung getestet. Mit Goldbeschichtungen kam es vermehrt zu Inhomogenitäten sowie zu vereinzelten Stellen erhöhter Rautiefe, was einen Korrosionsvorgang des Schichtsystems bei anodischer Polarisation begünstigte. Im Gegensatz dazu wurde Platin mit geringerer Inhomogenität abgeschieden, wodurch bessere Korrosionsstabilität über einen längeren Polarisationszeitraum gewährleistet werden konnte. Bei der Zinn-Nickel-Beschichtung kam es während anodischer Polarisation zur Bildung von Oxiden an der Oberfläche. Diese wiesen gute Korrosionsstabilität auf, lösten sich bei andauernder Polarisation jedoch auf.
Mikrotechnologischer Aufbau und Evaluation eines magneto-mikrofluidischen Demonstrator-Systems. - Ilmenau. - 210 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Mikrofluidik gewinnt in den letzten Jahren vor allem in den Bereichen Industrie und Forschung aber auch in Privatanwendungen gerade als sogenanntes "Lab-on-a-chip"-System immer mehr an Bedeutung. Diese mikrofluidischen Systeme sollen Funktionen eines modernen Labors auf einem Mikrochip erfüllen. Dafür ist zum Beispiel das präzise Transportieren von Fluiden notwendig. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fertigung einer miniaturisierten Pumpe, die den magnetohydrodynamischen Effekt nutzt, der durch die Überlagerung von induziertem Strom und Magnetfeld eine das Fluid antreibende Lorentzkraft erzeugt. Im Rahmen dieser Masterarbeit werden mehrere Designkonzepte des eigentlichen Pumpenkörpers evaluiert und verglichen. Der Schwerpunkt wird dabei auf die Transparenz der Pumpe für eine optische Charakterisierung, die flüssigkeitsdichte Verkapselung sowie die Kompatibilität der Materialien mit dem Arbeitsmedium gelegt. Die drei vielversprechendsten Varianten werden anhand entworfener Prozesspläne mikrotechnologisch gefertigt und evaluiert. Als Ergebnis stehen mehrere verschiedene fluidisch dicht getestete Pumpenkörper mit integrierten Elektroden zur Verfügung, die für aufbauende Forschung verwendet werden können. Mit der vorliegenden Arbeit wird durch die Evaluation und Umsetzung verschiedener technologischer Ansätze die Grundlage für den Einsatz und die Weiterentwicklung von Pumpen auf Basis des magnetohydrodynamischen Effekts in mikrotechnologischen "Lab-on-a-chip"-Systemen gelegt.
Vergleichende komplexe Untersuchungen zur Beurteilung der Aussagekraft der Ergebnisse am Röntgendiffraktometer D8 Davinci beim Einsatz verschiedener Detektoren und Strahlformer. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Bei Röntgenbeugungsexperimenten treten bei Verwendung eines 2D-Detektors irreguläre Peaks auf, die nicht erklärt werden konnten. Diese Störpeaks erscheinen bei der Untersuchung von einkristallinen und grob polykristallinen Proben, nicht jedoch bei feiner polykristallinen oder amorphen Proben. Auch verschiedene Elemente der Messanordnung beeinflussen deren Intensität und Auftreten. In der vorliegenden Masterarbeit wird das Auftreten dieser Störpeaks anhand verschiedener Proben und verschiedener Messanordnungen charakterisiert. Anschließend werden verschiedene mögliche Ursachen für dieses Phänomen untersucht. Es kann gezeigt werden, dass die Ursache der Störpeaks eine unzureichende Monochromatisierung der einfallenden Röntgenstrahlung ist. Der Einfluss des Restspektrums führt genau dann zu Störpeaks, wenn die Intensität der Strahlung ausreichend hoch ist. Dies ist bei Untersuchung von Einkristallen mit einer Polykapillare zur Strahlparallelisierung der Fall, bei gewissen Messanordnungen auch bei Verwendung eines Multilayerspiegels. Der verwendete 2D-Detektor verfügt über eine Energieauflösung, die ungeeignet ist, um das Auftreten der Störpeaks zu unterdrücken. Zur Lösung des Problems muss entweder die verwendete Strahlung stärker monochromatisiert werden, oder aber ein Detektor mit geringer Energieauflösung verwendet werden. Es wird außerdem gezeigt, dass die Störpeaks verwendet werden können, um die tatsächliche Orientierung von Netzebenen in Einkristallen zu bestimmen.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Reaktive Materialsysteme, insbesondere Al/Ni-Mehrschichtfolien, werden seit Mitte des 20. Jahrhunderts erforscht. Diese Materialsysteme können als energetische Materialien kategorisiert werden, die über die eine der Festkörperflamme ausbilden können. Unter Verwendung von Stimuli wie elektrischem Strom können sich diese Materialien entzünden und eine sich selbs ausbreitende Reaktionsfron herausbilden, die sich durch eine nahezu homogene Reaktionsfrontgeschwindigkeit und Maximaltemperatur charakterisiert ist und dabei eine große thermische Energiemengen freisetzen. Dies erlaubt sie, als kontrollierbare Wärmequelle in verschiedenen Bereichen von Wissenschaft und Technik einzusetzen. Für das Materialdesign ist ein numerisches Modell auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode erforderlich, um das diffusionsgetriebene Reaktionsphänomen von Al- und Ni-Mehrschichtfilmen vorherzusagen. Ein solches Modell wurde entwickelt und angewandt, um: (i) den Einfluss der Umgebungsvariablen, der Materialeigenschaften und der Schichtdicke auf die Reaktionsfrontgeschwindigkeit und die Reaktionstemperatur reaktiver freistehender Ni- und Al-Mehrschichtfilme zu untersuchen; (ii) die Auswirkungen der Materialeigenschaften des Substrats, der Substratdicke und der Anfangstemperatur des Substrats auf die Reaktionseigenschaften und die Möglichkeit einer sich selbst ausbreitenden Reaktion oder ihrer Unterdrückung für Mehrschichtfilme auf einem Substrat; (iii) die Vorhersage der Möglichkeit einer Reaktion im sich selbst ausbreitenden Modus für Systeme, bei denen die Mehrschichtfilme zwischen zwei heterogenen Materialschichten eingeschlossen sind. Die Grundannahmen für das entwickelte Simulationsmodell waren wie folgt: (1) stöchiometrische Reaktion von Al und Ni, (2) es wird nur die NiAl-Phase existiert bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur von Aluminium herausgebildet, und (3) isotrope temperaturabhängige Materialeigenschaften. Zur Modellanpassung durch experimentelle Ergebnisse wurden diese Al/Ni-Multischichten durch Magnetron-Sputtertechnik mit einem Atomverhältnis von 1:1 hergestellt. Die Reaktionswärme der hergestellten Filme wurde durch differentielle thermische Analyse bestimmt. Die sich selbst ausbreitende Reaktion wurde durch einen elektrischen Funken auf der Oberfläche der Filme ausgelöst. Die Bewegung der Reaktionsfront wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Die Röntgenbeugungsergebnisse bestätigten, dass alle Reaktionspartner reagierten und sich eine B2-NiAl-Phase herausbildeten. Die Aktivierungsenergie der sich selbst ausbreitenden Reaktion wird an die Geschwindigkeitsdaten aus der Hochgeschwindigkeitskameramessung angepasst, um das numerische Modell zu validieren.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
In dieser Arbeit wurden Methoden zur Präparation von Zielen im [my]m-Bereich erarbeitet. Verwendet wurde dabei das Ar+-Ionenstrahlböschungsätzen (IBSC). Für die mechanische Vorpräparation wurde das Leica EM TXP genutzt. Das IBSC wurde im Leica EM TIC 3X durchgeführt. Anschließend wurden die Proben im REM analysiert. Es wurden eine hochfeste Stahldruckfeder mit einer Zinklamellenbeschichtung, ein Nickelbeschichteter Verdichter aus einer Aluminiumlegierung, sowie der Keramikkondensator einer Elektronikplatine präpariert. Die Druckfeder wurde zum Methodenvergleich ebenfalls mechanisch und mit Focused Ion Beam (FIB) präpariert. Es konnte dabei keine ideale, vollständig artefaktfreie Methodik entwickelt werden, dennoch zeigten die Präparationen im TIC deutliche Vorteile gegenüber der mechanischen, die die FIB-Präparation bestätigen konnte. Mit Hilfe der neuen Erkenntnisse über die Beschaffenheit und die Schwachstellen der Zinklamellenbeschichtung wurde anhand der Druckfeder eine Schadensanalyse nach VDI 3822 [1] durchgeführt. Für den Verdichter konnte eine artefaktfreie Präparation von Zielen in und auf der Beschichtung, sowie dem Interface zwischen Beschichtung und Substrat entwickelt werden. An diesen Proben wurde ebenfalls eine FIB-Präparation durchgeführt. Die Ergebnisse des IBSC waren mit denen der FIB-Präparation vergleichbar. Im REM zeigte sich ein nahezu identisches Bild. Keramikkondensatoren auf Elektronikplatinen konnten ebenfalls mit guten Ergebnissen präpariert werden. Jedoch zeigten sich keine wesentlichen Vorteile im Vergleich zu Standardpräparation. Es ist nicht auszuschließen, dass bei anderen Baugruppen der Elektronik, die ebenfalls mit den entwickelten Methoden präpariert werden können, Vorteile durch das IBSC entstehen. Zum Abschluss werden weitere mögliche Probenmaterialien und Werkstoffgruppen genannt, für die die Präparation mittels IBSC interessant sein könnte.
The effect of post-treatment on corrosion behavior of micro-cracked chromium (III) coatings. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Die Auswirkung einer anodischen Nachbehandlung auf das Korrosionsverhalten von mikrorissigen und konventionellen-Chrom(III) Beschichtungen wurde in dieser Masterarbeit untersucht. Die Korrosionsbeständigkeit der Proben wurde durch verschiedene Methoden wie beschleunigte Salzsprühnebeltests, coulometrische Schichtdickenmessung, linearer Polarisationswiderstandstest und Impedanzspektroskopie bewertet. Die galvanisch abgeschiedenen Proben wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgenanalyse (EDX) analysiert. Die Farbe der Proben wurde gemessen und verglichen, um die Auswirkungen der Nachbehandlung auf das optische Erscheinungsbild der Chromschicht zu untersuchen. Die Vickershärte der Proben wurde ebenfalls gemessen, um die Auswirkungen der anodischen Behandlung auf die Härte der Chromschicht zu untersuchen.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Im Rahmen der vorliegenden Masterarbeit erfolgt zunächst auf Basis der Literaturrecherche ein Überblick über die Grundlagen des Resin Transfer Molding (RTM). Zur Untersuchung der Phänomene welche im Zusammenhang mit der Porenentstehung, -migration und -auflösung auftreten, wurde ein Versuchsaufbau konzipiert und Experimente unter der Verwendung von UV-Licht reaktivem Harz sowie Glasfasern durchgeführt. Mit Hilfe der Mikroskopie gelang es die hergestellten Bauteile großflächig zu untersuchen. Die Untersuchungen lieferten das Längenverhältnis l_C/l_T , welches den Zusammenhang zwischen zurückgelegtem Fließweg l_C im Faserbündelzwischenraum und zurückgelegtem Fließweg l_T im Faserbündel beschreibt. Weiterhin gelang es das gefundene Verhältnis mit dem Zeitskalenverhältnis ([delta]t_T)/([delta]t_C ) aus einem Modell zur Porenentstehung nach GUEROULT zu korrelieren und die Übertragbarkeit auf eine weitere Materialkombination nachzuweisen.
Pulsabscheidung für die elektrolytische Bandverzinkung. - Ilmenau. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden die frühen Stadien der Zinkabscheidung in einem sauren Sulfatelektrolyten auf Stahlsubstraten mit potentiostatischen Stromtransienten und in-situ Mikrogravimetrie (Quarzmikrowaage, QCM) untersucht. Die Abscheidung im Bereich des Abscheidungspotentials von Zink (-0,85 V vs. NHE) erfolgt durch spontane Nukleation und diffusionskontrolliertes zweidimensionales Wachstum. Die Auswertung der Massenzunahme mit hoher zeitlicher Auflösung in Abhängigkeit von der geflossenen Ladungsmenge mit der QCM zeigte, dass in den ersten Sekunden der Zinkabscheidung fast ausschließlich Wasserstoffentwicklung stattfindet. Weiterhin wurde das dendritische Wachstum bei Gleichstrom-, Pulsstrom- sowie Puls-Umkehrabscheidung in der Hull-Zelle untersucht. Dabei zeigte sich, dass Pulsstrom gegenüber Gleichstrom bezüglich des dendritischen Wachstums keinen Vorteil hat. Bei Puls-Umkehrabscheidung setzt die Dendritenbildung signifikant später ein.
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2022
Die Herstellung von Bauteilen wird über einen hybriden Fertigungsansatz, bei dem komplexe, mittels Pulverbett-basiertem Schmelzen erstellte Halbzeuge über einen Laserschweißprozess mit weniger komplexen Strukturen, die konventionell hergestellt oder aber mit anderen additiv gefertigten Halbzeugen verbunden werden, durchgefüht. Auf eine Fügeflächenvorbehandlung der additiv gefertigten Halbzeuge durch Drehen, oder Fräsen wird hierbei bewusst verzichtet. Bei den Untersuchen werden die vorhandenen Einflüsse der Oberflächenrauheit, Ebenheit und Wasserstoffgehalt der Ausgangsmaterialien auf die Schweißnahtporosität und Nahtunregelmäßigkeiten ermittelt. Ausgewählte Parameter, wie Porosität Porengröße und Nahtbreite werden in Abhängigkeit der Parameter Laserleistung und Schweißgeschwindigkeit dargestellt. Die Ermittlung möglicher Prozessfenster, Abhängigkeiten und Einschränkungen sollen zur Erweiterung der Anwendung des Laserschweißens bei hybriden Fertigungsverfahren beitragen.