Veröffentlichungen des Fachgebiets Metallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

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Gholami-Kermanshahi, Mozhgan; Hsiao, Yuan-Chien; Lange, Günther; Chang, Shih-Hang
Effects of carbon nanotube addition on the microstructures, martensitic transformation, and internal friction of Cu-Al-Ni shape-memory alloys. - In: Scientific reports, ISSN 2045-2322, Bd. 13 (2023), 21181, S. 1-12

https://doi.org/10.1038/s41598-023-48516-4
Schulze, Tim;
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.



Mißbach, Melina;
Laserstrahlschweißen von Aluminium-Kupfer Mischverbindungen : Prozessentwicklung einer Überlappschweißnahtverbindung für Fügepartner bis 0,3 mm zur elektrischen Kontaktierung im Bereich der Elektromobilität. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Der Wandel in der Automobilindustrie und die damit einhergehende Entwicklung von neuen Antriebssträngen erfordert das Fügen von mechanisch und physikalisch ungleichen Materialpaaren. Ein Teilgebiet sind die Batteriemodule. Hier derzeit eingesetzte Fügeverfahren von Aluminium und Kupfer weisen alle verschiedene Limitierungen auf. Einerseits hinsichtlich Prozessstabilität, Kosten, Automatisierbarkeit und Langlebigkeit. Andererseits ist die Löslichkeit der beiden Werkstoffe für die Bildung zahlreicher intermetallischer Phasen verantwortlich. Das Ziel dieser Masterarbeit ist die Prozessentwicklung einer lasergeschweißten Aluminium Kupfer Mischverbindung. Im Kontext der Elektromobilität werden dünne Bleche mit einer Stärke von 0,3 mm bis 0,5 mm zur Verbindung und Kontaktierung von Batterien eingesetzt. Zur Entwicklung des Prozesses wurden zahlreiche Versuchsreihen durchgeführt und mittels optischer und mechanischer Prüfverfahren ausgewertet. Dazu werden beide Anordnungen der Werkstoffe untersucht. Aluminium auf Kupfer wurde mit einem infraroten Laser und Kupfer auf Aluminium mit einem Grünlicht-Laser geschweißt. Gegenstand der Untersuchung ist die Maximierung der Schweißnahtqualität. Betrachtet wurden dabei Oberflächenqualität, Fehler in der Schweißnaht (z.B. Einschlüsse und Poren), Phasenentwicklungen und Durchmischungen. Zudem wurde der elektrische Widerstand und das statische und dynamische mechanische Verhalten der Verbindungen untersucht.



Erarbeitung eines Vorrichtungskonzeptes mit energieeffizienter Heiztechnologie zur Klebung von Hautfeldstrukturen der A320-Familie. - Ilmenau. - 121 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Im Zuge der internationalen Vernetzung der Staaten und Märkte durch die Globalisierung steigt das Bedürfnis nach Mobilität, was vor allem die Luftfahrtbranche in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich deutlich weiter wachsen lässt. Die Folgen des fortschreitenden Klimawandels fordern zunehmend auch die Luftfahrtindustrie zum Handeln auf. Um die langfristigen Klimaziele der EU zu erreichen, hat sich die Luftfahrtbranche mit der Unterzeichnung der “Erklärung von Toulouse“ die Klimaneutralität zum Ziel gesetzt. Auf dem Weg zum klimaneutralen Flugverkehr besteht ein erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wird aktuell der Fokus auf die energie- und ressourcenschonende Produktion von Großkomponenten gelegt. Innerhalb der Großkomponentenproduktion wird dabei besonders die Fertigungstechnologie des Klebens betrachtet. Im Vergleich zur konventionell genieteten Bauweise, erfordert die Blech-Blech-Klebung gegenwärtig die Autoklavtechnologie, die sehr zeit-, kosten- und energieintensiv ist. Als Teil des Forschungsprojektes befasst sich die vorliegende Master-Thesis mit der Erarbeitung eines energieeffizienten Out-of-Autoklav Prozesses. Im ersten Teil dieser Arbeit erfolgt die Auswahl einer energieeffizienten Heiztechnologie. Dazu werden Prozessanforderungen aufgenommen, Bewertungskriterien definiert und geeignete Bewertungsverfahren ausgewählt. Die Nutzwertanalyse in Kombination mit dem Analytischen-Hierarchie-Prozess ergibt, dass die Induktionserwärmung den anderen Erwärmungsmethoden vorzuziehen ist. Als Versuchsbauteil für eine seriennahe Erprobung der ausgewählten Heiztechnologie dient ein sphärisch gekrümmter Ausschnitt (˜ 1 qm) aus dem Hautfeld 10 des A321XLR. Im zweiten Teil der Arbeit wird mit den gewonnenen Erkenntnissen in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) eine Spezifikation für eine eigenbeheizte Werkzeugvorrichtung ausgearbeitet. Anschließend erfolgt die Lieferantenauswahl, das Einholen von Richtpreisangeboten und die Ausschreibung. Auf Basis der Richtpreisangebote werden erste Konzepte eigenbeheizter Werkzeugvorrichtungen erarbeitet. Um die Energieeinsparung der zukünftigen Out-of-Autoklav Heiztechnologie gegenüber der heutigen Autoklavtechnologie zu verifizieren, werden mit Hilfe eines virtuellen Autoklaven die Leistungskennzahlen der heutigen Autoklaven ermittelt. Für eine spätere Industrialisierung eines autoklavfreien Klebeprozesses werden abschließend Konzepte zum Druckaufbau, der Abkühlung und der thermischen Isolation skizziert. Die ausgearbeiteten Konzepte dienen als Basis für weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte.



Wild, Pia;
Untersuchung eines alternativen Bindersystems für die Herstellung einer Metallpulversuspension zur additiven Fertigung von metallischen Bauteilen aus Wolfram-Schwermetall mittels MoldJet®-Verfahren. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023

Das MoldJet®-Verfahren ist ein neuartiges sinterbasiertes, additives Fertigungsverfahren. Während des Druckprozesses wird eine Metallpulver-Suspension mittels Slot-Die-Coating in eine Negativform aus einem wachsartigen Polymer gerakelt. Durch zyklisches Durchlaufen der Prozessschritte Formherstellung und Formfüllung entsteht schichtweise ein stabiles Grünteil. In dieser Arbeit wird eine für dieses Verfahren geeignete Suspension aus einer Wolfram-Schwermetalllegierung entwickelt. Ein alternatives Bindersystem wird umfangreich getestet. Dazu erfolgt die rheologische Charakterisierung mehrerer Zusammensetzungen der Suspension. Deren Eigenschaften werden auf die chemischen Eigenschaften des Bindemittels zurückgeführt. Anhand eines entwickelten Anforderungsprofils wird die Suspension auf das Verfahren angepasst. Zu dieser Funktionalisierung dienen mehrere Additive. Deren Auswahl erfolgt anhand von Messungen der Rheologie sowie mit einem Grindometer. Kontaktwinkelmessungen auf dem wachsartigen Polymer, das als Formmaterial dient, charakterisieren das Benetzungsverhalten der Suspension. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Druckbarkeit der entwickelten Suspension an der MoldJet-Anlage validiert. Entstandene Fehlerbilder werden analysiert, Optimierungspotentiale erkannt und drucktechnisch umgesetzt. Die Pulverbeladung der Suspension wird anhand der Ergebnisse der Druckversuche skaliert. Abschließend wird die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften nachgewiesen.



Dahl, Evelyn;
Entwicklung eines Prüflingshalters zur optischen Zentrierprüfung von Zylinderlinsen. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2023

Inhalt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Prüflingshalters für die optische Zentrierprüfung von Zylinderlinsen. Dabei werden die in der VDI-Richtlinie 2221 definierten Schritte zur Neuentwicklung von technischen Produkten und Systemen durchlaufen. Im Rahmen der Planungsphase werden alle Anforderungen, welche der Prüflingshalter erfüllen soll, festgelegt. Um einen möglichst großen Markterfolg des Produktes zu erzielen, werden die Anforderungen aus Kundenanfragen abgeleitet. Die Funktionsstruktur wird ermittelt und die Gesamtkonstruktion wird in Teilmodule untergliedert. Für jedes Teilmodul werden mehrere Lösungsvarianten entworfen, welche nach technischen Kriterien miteinander verglichen und bewertet werden. Die am besten geeigneten Lösungen werden zu einem Gesamtentwurf zusammengeführt und detailliert ausgearbeitet. Im Zuge der Ausarbeitung werden alle funktionswichtigen Berechnungen und Untersuchungen durchgeführt.



Gholami-Kermanshahi, Mozhgan; Wu, Yu-Yan; Lange, Günther; Chang, Shih-Hang
Effect of alloying elements (Nb, Ag) on the damping performance of Cu-Al-Mn shape memory alloys. - In: Journal of alloys and compounds, ISSN 1873-4669, Bd. 930 (2023), 167438, S. 1-11

This study investigates the damping properties of Cu-Al-Mn shape memory alloys (SMAs) with various chemical compositions and the effects of the addition of quaternary alloying elements Ag and Nb on the microstructure, martensitic transformation behavior, and damping capacity of SMAs. Compared to other Cu-12Al-xMn (x = 4-7wt. %) SMAs, Cu-12Al-5Mn has a more significant inherent and intrinsic internal friction (IFPT + IFI) peak above room temperature. The addition of Ag or Nb to Cu-12Al-5Mn reduced the grain size, thereby increasing the hardness of the alloys; however, the damping capacity and temperature of the IFPT + IFI peak decreased simultaneously. The addition of Ag to Cu-12Al-5Mn significantly reduced the damping capacity (IFPT+IFI peak) because of the notable decrease in the amount of transformed martensite. Moreover, the addition of Nb to Cu-12Al-5Mn caused the AlNb3 phase to precipitate, limiting the mobility of the martensite variant interfaces and slightly decreasing the damping capacity (IFPT + IFI peak). Among the Ag- and Nb-doped Cu-12Al-5Mn SMAs, Cu-12Al-5Mn-1Nb showed not only a significantly higher hardness but also a higher IFPT + IFI peak, with tan δ exceeding 0.01 at approximately 50 ˚C.



https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.167438
Mayer, Hannes; Tomaschko, Silvia; Mayer, Thomas; Lange, Günther
New method for evaluating and optimizing transient piston friction and cooling using a high-power laser in motored operation. - In: SAE International journal of engines, ISSN 1946-3944, Bd. 16 (2023), 4, 03-16-04-0025

The input of combustion heat in engines has a major impact on the piston friction and the resulting wear of the piston skirt. The new methodology presented here enables the simulation of combustion heat input during motored operation, and thus a detailed investigation of the piston friction under realistic piston temperature profiles of real engine operation is possible. For this purpose a standardized engine test bench for motored friction evaluations was expanded to include, among other things, a movable high-power diode laser with special defocusing optics. The setup of the test engine is based on the FEV teardown step methodology [1] and has open access to the engine piston from above due to a cylinder head dummy. Thus, the heat input by means of a high-power diode laser into the piston crown can be made. The reduced engine structure also enables a precise and highly accurate evaluation of the piston friction. A previously conducted validation process of the methodology ensures the most accurate possible replication of fired piston temperature profiles. The comparison between the piston temperatures measured in fired operation and those simulated in motored operation for a partial load operating point shows a maximum variance deviation of only 15˚C depending on the measuring point. The new methodology is also used in particular for the evaluation and detection of critical piston friction conditions. Experiments in this context are presented and discussed exemplary by using three measurement series at different operating temperatures and engine speeds. There is a gradual increase in the laser power for each series of measurements and thus in the heat input into the piston. The increase in heat input leads to a significant increase in friction at all operating points due to thermal expansion and the associated decrease reduction in piston clearance. Depending on the operating temperature and the engine speed, a critical piston friction condition is achieved and detected by the level of friction increase. The additional use of ultrasonic sensors and the knock sensor installed as standard makes a simultaneous measurement of the structure-borne sound signals possible. The increase in the acceleration levels of all sensors correlates here with the increase in piston friction. An evaluation of the noise, vibration, and harshness (NVH) measurement in both the frequency range and the crank angle (CA) range shows conspicuous high-frequency excitation levels that occur in the top dead center area. This correlation can be proven for all three measurement series. The results obtained here may open a path to an improved piston cooling strategy in the future.



https://doi.org/10.4271/03-16-04-0025
Entwicklung eines Konzepts zur Serienfertigung von Compound-Material für die Rotor/Stator Fertigung. - Ilmenau. - 117 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Mobilität ist, wenn auch in psychologischen Studien weniger berücksichtigt, ein Grundbedürfnis und so alt wie die Menschheitsgeschichte. Darüber hinaus geht die Bedeutung von Mobilität einher mit gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Veränderungen. Heute steht die Mobilität erneut vor einem Wandel: Digitale Vernetzung, autonomes Fahren, elektrische Antriebstechnik und das Angebot von Mobilitätsdienstleistungen bilden die Grundlage für die Mobilität von Morgen. Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs ist durch die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akkumulatoren und politische Einflüsse, wie etwa Klimaziele der Europäischen Union, in den letzten Jahren stark vorangeschritten. Die Automobilhersteller stehen daher in den kommenden Jahren vor der Aufgabe, ihr derzeit angebotenes Produktportfolio umzugestalten. Dieser Wandel in den Portfolios der Automobilhersteller betrifft nachfolgend ebenso die Automobilzuliefererbranche: Neue Teile und Technologien werden von den Automobilherstellern nachgefragt. Aufgrund dessen plant der Automobilzulieferer ElringKlinger AG eine Rotor- und Stator-Fertigung für Elektromotoren. Hierbei kann bestehendes internes Know-how wie das Beschichten und Stanzen von Blechen sowie die Entwicklung von Klebstoffen auf die neue Produktserie transferiert werden. Die Rotoren und Statoren werden aus Elektroblechen in einem Scherschneideprozess ausgestanzt. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Kapazitätserhöhung sollen drei Lagen des Elektroblechs gleichzeitig gestanzt werden. Hierfür werden die drei Lagen der Elektrobleche zum sogenannten Compound-Material verklebt. Die mittlere Lage wird zuvor beidseitig beschichtet und anschließend im Compoundier-Prozess mit der unteren und oberen Lage zwischen zwei Presswalzen geführt. Das Compound-Material wird durch die Presswalzen unter Druck- und Temperatureinwirkung zusammengefügt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Serienkonzept der Compound-Fertigung erarbeitet und dafür verschiedene Anlagenkonzepte getestet. Die eingestellten Parameter des Compoundier-Prozesses (Temperatur in der Vorheizzone, Temperatureinwirkzeit sowie Druck und Temperatur des Presswalzenpaares) wurden mithilfe von Versuchen ermittelt. Außerdem wurden die Anforderungen an das Compound-Material definiert und ein geeignetes Prüfmittel für die Überwachung der Compound-Qualität validiert. Das am besten geeignete Serienkonzept für den Compoundier-Prozess besteht aus einer Doppelbandpresse mit pneumatischem Flächendruck in der Vorheiz- und Abkühlzone. Die Presswalzen müssen einen Liniendruck von mindestens 50 N/mm aufweisen. Während des Compoundier-Prozesses muss das Material auf 170˚C für 15 Sekunden erwärmt werden. Als adäquateste Prüfmethoden erwiesen sich Rollenschälversuche und Biegeversuche (vor allem 3-Punkt Biegeversuch), diese bilden die an das Compound wirkenden Kräfte im Folgeprozess ab.



Nahrstedt, Helene;
Einflüsse der Beschichtungsparameter auf Zink-Lamellen-Obeflächen. - Ilmenau. - 130 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Die Beschichtung von Schrauben mit Zink-Lamellen-Beschichtungssystemen in einer Tauch-Schleuder-Beschichtungsanlage mit sich gegenläufig zur Hauptdrehrichtung drehenden Körben, den Planeten, stellt eine Alternative zur galvanischen Verzinkung dar. Ziel dieser Arbeit ist die systematische Analyse diverser Einflussfaktoren auf die Morphologie und Eigenschaften der entstehenden Beschichtung, um daraus optimale Beschichtungsparameter für die Serienfertigung abzuleiten. Dazu wurde ein Optimierungsversuchsplan aufgestellt, in welchem die Anzahl der Grundierungs- und Überzugsschichten, die Hauptdrehzahl und die Planetendrehzahl variiert wurden. Für die Bewertung der hergestellten Schichten wurden die Haftung, vollständige Deckung, das Schichtgewicht, die Bitgängigkeit, die Eindringtiefe, die Schichtdicke, die Korrosionsbeständigkeit und die Drehmomente bei der Verschraubung untersucht. Als Optimum der Versuchsreihen wurde ein Beschichtungssystem aus zwei Lagen Delta Protekt KL 100 und einer Schicht Delta Seal Silber identifiziert. Das Abschleudern sollte mit der Haupt-drehzahl 180 U/min und der Planetendrehzahl 2 U/min erfolgen. Das mit diesen Parametern erzielte niedrige Schichtgewicht trägt positiv zur abschließend aufgestellten CO2-Bilanz des Beschichtungsprozesses bei. Die Summe der Emissionen übersteigt jedoch den CO2-Ausstoß einer galvanischen Verzinkung.