Böcker utgivna av Fraunhofer Verlag

Die Biologische Transformation der Wertschöpfung wird den Produktionsstandort Deutschland massiv verändern, ein Sachverhalt, der im Zuge der BIOTRAIN-Voruntersuchung erstmal umfangreich analysiert wurde. Im Ergebnis zeichnet die Voruntersuchung ein ganzheitliches Bild des Status-Quo Deutschlands, der zu erwartenden Umwälzungen, der Basistechnologien sowie der Handlungsfelder dieser Transformation.

PET-Flaschen werden im Streckblasprozess aus spritzgegossenen, amorphen Vorformlingen ¿ den PET-Preforms ¿ hergestellt. Vor dem Verstrecken müssen sie auf rund 100 °C erwärmt werden. Der Wirkungsgrad der etablierten Infrarot-Heiztechnik erreicht dabei nur etwa 20 %. Mikrowellen bieten aufgrund der großen Eindringtiefe für viele Kunststoffe die Möglichkeit einer effizienten, volumetrischen Erwärmung. In dieser Arbeit wurde für PET-Preforms eine Heiztechnologie mit Mikrowellen unter der Zielstellung hoher Energieeffizienz bei gleichzeitig guter thermischer Profilierbarkeit entwickelt. Als Heizvorrichtung wurde ein zylindrischer E010-Resonator analytisch für die Frequenz 2,45 GHz ausgelegt und experimentell umgesetzt. Zur thermischen Profilierung wurde eine axiale Bewegung der Preforms durch den Resonator mit angepasstem axialem Geschwindigkeitsprofil genutzt. Mittels numerischer Simulation wurde das System hinsichtlich der erzielbaren Energieeffizienz überarbeitet und optimiert. Der Einsatz dielektrischer Hilfskörper im Resonator und einer nachführbaren Schlitzblende ermöglichen einen Energieeintrag in die Preforms von bis zu 92 % der eingesetzten Mikrowellenleistung.

In dieser Arbeit werden verschiedene Mikrowellenplasmaunterstützte Prozesse untersucht. Es werden Ätz- und Abscheideprozesse erforscht, die in der Halbleitertechnologie nötig sind. Dabei wird darauf geachtet, dass die Prozesstemperatur sehr gering ist. Durch die in der Arbeit untersuchten plasmaunterstützten Prozesse, kann eine epitaktische Siliziumschicht bereits bei 450 °C abgeschieden werden.

Das Umfeld moderner Produktionsunternehmen ist geprägt durch eine zunehmende Anzahl an Produktvarianten, kürzere Produktlebenszyklen und eine stärkere Kundenorientierung.Eine wichtige Aufgabe der kurzfristigen Fertigungssteuerung ist es, einen möglichst reibungslosen Ablauf der Produktion zu gewährleisten. Störungen des Produktionsablaufs erfordern häufig die Behebung von Konflikten sowie fortlaufende Änderungen am Produktionsplan.In der vorliegenden Arbeit wurden existierende Ansätze für die Fertigungsplanung und -steuerung untersucht bezüglich der Fähigkeit Wissen aus dem Produktionsumfeld zu erlernen, wiederverwendbar abzulegen und Entscheidungen transparent zu machen. Es wurde sodann ein fallbasiertes Verfahren zur Planungsunterstützung für die Fertigungssteuerung entwickelt, das Änderungen des Produktionsumfeldes und das Entscheidungswissen der Mitarbeiter bei der Planung berücksichtigen kann. Mittels Simulation wurde gezeigt, dass damit auf Änderungen des Produktionsumfeldes besser reagiert werden kann als bei der regelbasierten Planung. Die Ergebnisse wurden bewertet und im Kontext menschzentrierter, wandlungsfähiger Strukturen der Industrie 4.0 eingeordnet.

Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Modellierung und Simulation des Abbrandes extrudierbarer Festtreibstoffe mit komplexer Querschnittgeometrie sowie allgemein zur Abbrandcharakterisierung von Festtreibstoffen. Dazu wird die Geometrieänderung der Querschnittgeometrie während des Abbrandes durch einen gitterbasierten Algorithmus modelliert. Dieser basiert auf zellulären Automaten und wird als ICT-Cellular-Combustion-Algorithm bezeichnet. Dieser wird mit Algorithmen zur Präprozessierung der Eingabegeometrien und einem thermodynamischen Modell für den Druckaufbau in einer ballistischen Bombe kombiniert. Das entwickelte Modell ermöglicht die numerische Simulation der Geometrieänderung von extrudierbaren Festtreibstoffen während des gesamten Verbrennungsprozesses für nahezu beliebige Querschnittgeometrien. Mit Hilfe des Modells und experimentellen Messdaten kann eine Zielfunktion konstruiert und durch numerische Optimierungsalgorithmen minimiert werden. Dies ermöglicht die experimentelle Bestimmung der druckabhängigen Regressionsgeschwindigkeit der Abbrandoberfläche mit hoher Genauigkeit auch für geometrisch komplexe Festtreibstoffe unter gleichzeitiger Verwendung kleiner Probenmengen.

Crashbelastungen führen bei Karosseriestrukturbauteilen in der Regel zu ausgeprägt inhomogenen Bauteilbeanspruchungen. Mit den aktuellen Karosserieleichtbaulösungen können die mechanischen Eigenschaften von Crashstrukturen nicht oder nur sehr begrenzt an die spezifischen Beanspruchungszustände angepasst werden. Das Verfahren des lokalen Laserumschmelzverfestigens ermöglicht hingegen eine beanspruchungsgerechte Abstimmung der Bauteileigenschaften von crashbelasteten Karosseriestrukturen aus härtbaren Stählen. Im Ergebnis kann eine signifikante Verbesserung der Crashbelastbarkeit und Bauteilumformbarkeit erzielt werden, sofern lokalisierte plastische Bauteilverformungen auftreten. Die für eine FE-basierte Bauteilauslegung erforderlichen Eigenschaften der Verfestigungszonen können über die vorgeschlagenen analytischen Zusammenhänge aus den spezifischen Werkstoff- und Prozessparametern berechnet werden. Zur Verbesserung definierter Bauteilcrasheigenschaften in praktischen Anwendungen werden iterative heuristikbasierte Herangehensweisen vorgestellt. Das hohe Anwendungspotenzial des Verfahrens für Karosserieleichtbaulösungen wird anhand praxisrelevanter Applikationsbeispiele aufgezeigt.

Auf einer athermalen Werkstoffkombination basierende optische Spiegelsysteme für wissenschaftliche Instrumentierungen der Astronomie ermöglichen eine Steigerung der optischen Performance bei verschiedenen thermischen Umgebungsbedingungen. Bei der Verwendung eines thermisch angepassten Siliziumpartikel verstärkten Aluminiumwerkstoffs sind definierte Thermalbehandlungen notwendig, um die geforderten dimensionalen Stabilitäten bei der jeweiligen Anwendungstemperatur zu erreichen. Beschichtet mit einer röntgenamorphen Nickel-Phosphor-Legierung werden Anwendungen für den visuellen bzw. ultravioletten Spektralbereich ermöglicht. Die vorliegende Arbeit liefert werkstoffwissenschaftliche Grundlagen zur Auswahl geeigneter metallischer Substratwerkstoffe, welche über Rascherstarrungstechniken erzeugt wurden, sowie Richtlinien zu thermischen Behandlungen zur Realisierung athermaler optischer Spiegelsysteme für kryogene Anwendungen. Einflüsse der Temperatur auf die dimensionale Instabilität, wie längenausdehnungsbedingte und zyklothermische Instabilität, sowie die Langzeitinstabilität der untersuchten Werkstoffe werden theoretisch und experimentell erforscht und ausführlich diskutiert.

Der Schwerpunkt der vorliegenden Dissertation liegt auf der Erstellung der Methode zur Ermittlung der spezifischen Schnittkraft unmittelbar aus der Fräsbearbeitung und der Untersuchung des Zerspanverhaltens der Natursteine Postaer Sandstein sowie Carrara Marmor. Hierbei wird die entwickelte Methode zur Bestimmung der spezifischen Schnittkraftwerte auf Basis von Fräsversuchen auf diese beiden Werkstoffe angewendet. Aus den gewonnenen Erkenntnissen leiten sich Möglichkeiten und Handlungsempfehlungen zur Fräsbearbeitung von Natursteinen mit geometrisch bestimmter Schneide ab.

Die fortschreitende Miniaturisierung von elektronischen Systemen geht einher mit der Forderung nach gesteigerter Leistungsfähigkeit und vielfältigerer Funktionalität. Dies erfordert von der Elektronikfertigung zunehmend die vertikale bzw. dreidimensionale Integration von Halbleiterbauelementen. Die Herstellung von Siliziumdurchkontaktierungen (engl. Through Silicon Vias, Abkürzung: TSVs) zwischen den einzelnen Systemkomponenten ist dabei zentraler Bestandteil der Fertigung. In der vorliegenden Promotionsarbeit wird eine Methode zur Kontrolle der TSV-Form durch Plasmaätzen entwickelt. Hierzu werden die oberflächenphysikalischen Vorgänge bei der Ätzung im Schwefelhexafluorid/Sauerstoff-Plasma modelliert und die Verteilung, der an der Ätzung beteiligten Radikale und Ionen mittels Monte-Carlo-Simulation in TSVs unterschiedlicher Geometrie simuliert. Die lokale Verteilung der Ätzraten im TSV erlaubt Vorhersagen über die Formentstehung während des Ätzverlaufes. Das Modell wird durch Ätzversuche verifiziert und ermöglicht die gezielte Kontrolle der TSV-Form in Abhängigkeit der Prozessparameter.

Von erneuerbaren Energien geladene Elektrofahrzeuge können signifikant zur Reduktion des CO2-Ausstoßes und zur Netzstabilität beitragen. Um die zukünftig notwendigen Netzdienstleistungen, wie Wirk- und Blindleistungsaufnahme und -abgabe, abbilden zu können, sind bidirektionale Energieflüsse erforderlich. Hierbei kann die Fahrzeugbatterie als "mobiler Speicher" dienen und das Ladegerät die Dienstleistung erbringen. Heutige E-Fahrzeuge sehen meist eine 1-phasige kabelgebundene Ladung vor. Neue Entwicklungen und Forschungsvorhaben lassen auch eine 3-phasige, sowie eine kontaktlose, induktive Ladung der Fahrzeugbatterie zu. Die vorliegende Arbeit zeigt ein bidirektionales On-Board-Batterieladegerät auf, das eine 1-phasige und 3-phasige kabelgebundene Netzanbindung sowie die Ankopplung von kabellosen, induktiven Energieübertragungssystemen ermöglicht. Durch die Mehrfachnutzung der leistungselektronischen Komponenten können die Kosten, das Volumen und das Gewicht verringert werden. Zusätzlich werden Verfahren zur Optimierung hinsichtlich Materialeinsatz und Effizienz der leistungselektronischen Systemkomponenten aufgezeigt und anhand eines Demonstrators verifiziert.