Veröffentlichungen des Fachgebiets Metallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

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Entwicklung eines Vorhersagemodells für den Verschleiß von Bremsanlagen. - Ilmenau. - 96 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024

Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde ein Vorhersagemodell für den Verschleiß von Bremsen entwickelt. Das Ziel bestand darin, die Planbarkeit von Wartungsarbeiten zu verbessern. Dadurch können Ausfälle vermieden und geringere Reparaturkosten erzielt werden. Dazu wurden mit Hilfe von Literaturrecherchen verschiedene Berechnungsmodelle für den Verschleiß gesammelt und verglichen. Dabei wurden auch potenzielle Abhängigkeiten untersucht, um das Verständnis des Verschleißes zu verbessern und die Genauigkeit des Modells zu erhöhen. Eine besondere Rolle spielte die Anwendung von maschinellem Lernen, um das System für die Vielfalt vorhandener Reibpaarungen anzupassen. Zusätzlich wurde untersucht, inwieweit eine Umsetzung mit den im Fahrzeug verbauten Sensoren möglich ist. Außerdem wurde in der vorliegenden Arbeit bestätigt, dass die Temperatur der Reibpaarung eine der Haupteinflussgrößen des Verschleißes ist. Basierend auf den vorhandenen Datensatz konnte verschiedene Entwürfe entwickelt werden anhand denen der Verschleiß vorhergesagt werden kann. Dabei wurde festgestellt, dass die Kombination von zwei Modellen die höchste Vorhersagegenauigkeit aufweisen konnte. Zum einen wird für Temperaturen unter 400 ˚C eine Methode genutzt, die die physikalischen Gegebenheiten des Verschleißes berücksichtigt. Für über 400 ˚C wird hingegen ein System verwendet, welches mit maschinellem Lernen Vorhersagen trifft. Durch diese Kombination wurden Vorhersagegenauigkeit von bis zu 93 % für Bremsentemperaturen kleiner 200 ˚C, ca. 78 % für 200 – 300 ˚C und rund 84 % für mehr als 300 ˚C erreicht. Des Weiteren wurde ein Fehler, der durch die Unsicherheiten der im Fahrzeug verbauten Sensoren entsteht, von ca. ±5,3 % berechnet. Jedoch kann, aufgrund der symmetrischen Gaußverteilung der Messwerte, diese Abweichung vernachlässigt werden. Außerdem wurden verschiedene Konzepte erstellt und miteinander verglichen, anhand denen das Vorhersagemodell in das Fahrzeug implementiert wird. Dabei wurde die Umsetzung mit einem externen Gerät ausgewählt, welches über eine Schnittstelle (z.B. OBD2) die Fahrzeugdaten auslesen kann.



Gholami-Kermanshahi, Mozhgan; Lee, Ming-Cheng; Lange, Günther; Chang, Shih-Hang
Effects of N2 plasma modification on the surface properties and electrochemical performance of Ni foam electrodes for double-chamber microbial fuel cells. - In: Materials advances, ISSN 2633-5409, Bd. 5 (2024), 13, S. 5554-5560

This study assessed the feasibility of using a plasma-modified Ni foam as an anode to improve the electrochemical performance of double-chamber microbial fuel cells (MFCs). Scanning electron microscopy results showed that Ni foam exhibited an open cellular structure and rough surface morphology, providing a large contact area between bacteria and anodes in the MFCs. N2 plasma modification did not influence the surface morphology of the Ni foam, whereas the hydrophobic surfaces of the Ni foam became highly hydrophilic. X-ray photoelectron spectrometer results revealed that Ni-N and NH3 functional groups, formed on the surface of the Ni foam during the N2 plasma modification, were responsible for its highly hydrophilic surface. Electrochemical measurements demonstrated that the highest power density of the MFC configured with an unmodified Ni foam anode electrode (166.9 mW m−2) was much higher than those of the MFCs configured with dense Ni rod (5.1 mW m−2) or graphite rod (29.5 mW m−2) anodes because Ni foam combined the advantages of an open cellular structure and good electrical conductivity. The highest power density of MFC configured with Ni foam was further improved to 247.1 mW m−2 after 60 min N2 plasma treatment owing to the high hydrophilicity of the N2 plasma-modified Ni foam electrodes, which facilitated bacteria adhesion and biofilm formation.



https://doi.org/10.1039/D4MA00153B
Krapalies, Jeremy;
Analyse und Evaluation der Verarbeitbarkeit und Funktionalität PFAS-freier Folien für Druckausgleichselemente. - Ilmenau. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024

Die Produktion von Sensoren in der Automobilindustrie unterliegt zahlreichen Anforderungen und Vorschriften. Elektronikgehäuse sind für die Kompensation von Temperaturunterschieden mit Druckausgleichselementen ausgestattet. Darin verbaute Membranen enthalten per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS). PFAS werden zukünftig durch die Europäische Chemikalienagentur (ECHA) beschränkt /Eur24/. Eine Marktrecherche zu PFAS-freien Membranen erfolgt zu Beginn der Bachelorarbeit. Alternative Probekörper werden durch systematisch ausgewählte Prüfmethoden auf ihre Funktionalität und die Verarbeitbarkeit der Membranen mittels Ultraschallschweißen getestet. Es zielt auf einen Vergleich zwischen Serienmembran und PFAS-freier Membran. Das Ergebnis umfasst eine Stellungnahme zu der Verarbeitbarkeit und der Funktionalität von Membranen, die von der ECHA toleriert und von der Produktion anerkannt werden.



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