Studienprojekte
Projektarbeiten im Master-Studium - exemplarische Beispiele
- Spiraltribometer
Projekt 1: GALLING
bearbeitet von Manuel Kendel/Spezialisierungszweig Metallische Werkstoffe
Ziel des Projekts ist die Untersuchung des Zinkaufbaus (Galling) auf der Werkzeugoberfläche beim Tiefziehen von verzinkten Blechen. Derart oberflächenbeschichtetes Stahlblech verbindet die technologischen Vorteile der guten Umformbarkeit, bei gleichzeitig hoher Festigkeit des Trägerwerkstoffs Stahl, mit dem Vorteil der Korrosionsbeständigkeit des Beschichtungswerkstoffs. Für den Umformprozess entstehen durch den Einsatz von verzinkten Stahlblechen veränderte, tribologische Anforderungen, wodurch es zu einem Abrieb der Zinkschicht kommen kann. Dies kann die Kontamination der Werkzeugoberfläche mit Abriebpartikeln zur Folge haben, was die Bauteilqualität und die Prozesssicherheit negativ beeinflusst. Im Zuge des 1.Semesters wurden das Abriebverhalten und seine Ursachen grundlegend analysiert. Hierfür wurden neue Versuchsmethoden entwickelt und mit den in der Automobilindustrie eingesetzten Versuchsmethoden wie dem Streifenziehversuch verglichen. Zusätzlich wurde ein Spiraltribomerter entwickelt, mit welchem durch das Abfahren einer Spiralbahn ein offenes Tribosystem simuliert werden kann. Dadurch wird im Vergleich zum Standard-Stift-Scheibe-Tribometer, welches nur eine Kreisbahn abfahren kann, ein praxisnäherer Zustand erzielt. Anhand des Streifenziehversuchs konnte der negative Einfluss von quer zur Ziehrichtung verlaufenden Strukturen (wie etwa Schleifriefen) gezeigt werden. Bei den untersuchten Graugusswerkstoffen konnte festgestellt werden, dass die durch ausbrechendes Graphit entstehenden Kavitäten einen wesentlichen Einfluss auf den Zinkaufbau haben.
Projekt 2: Quantitative Porositätsbestimmung von CFK-Werkstoffen mittels 3D – Röntgencomputertomografie
bearbeitet von Bernhard Plank/Spezialisierungsrichtung Metallische Werkstoffe
Kohlenstoffverstärkte Kunststoffe (CFK) gewinnen in der Flugzeugindustrie immer mehr an Bedeutung und sind dort als Werkstoff nicht mehr wegzudenken. Begründet wird dieser Trend zum Leichtbau durch das deutlich bessere Verhältnis zwischen Festigkeit und Steifigkeit zu der Materialdichte. Um jedoch diese Vorteile von CFK gegenüber den herkömmlichen Werkstoffen nutzen zu können, ist eine geringe Bauteilporosität unbedingt erforderlich, da ein direkter Zusammenhang zwischen der Bauteilporosität und den mechanischen Eigenschaften wie dem E-Modul oder der Scherfestigkeit besteht. In der Flugzeugindustrie dürfen die Bauteile üblicherweise eine maximale Porosität von 2,5 % und in Ausnahmefällen von 5 % nicht überschreiten.
Um geringe Porositäten sicher zu stellen, werden kritische Bauteile in der Flugzeugindustrie zu 100 % mittels Ultraschallprüfung (US) zerstörungsfrei geprüft. Durch die Ultraschallabschwächung kann anhand von experimentell ermittelten Grafen auf eine Bauteilporosität geschlossen werden. Da die Ultraschallabschwächung jedoch nicht nur von der Bauteilporosität, sondern auch sehr stark von der Form und Verteilung der Poren, des verwendeten Harzsystems, sowie dem Vorhanden sein von anderen Materialinhomogenitäten abhängt, liegt der Fehler in der Porositätsbestimmung mittels Ultraschall bei ~20 %.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die ergänzende Möglichkeit der quantitativen Porositätsbestimmung und der qualitativen Beurteilung von Materialinhomogenitäten mittels Kegelstrahl Röntgen-Computertomografie (CT) behandelt. Großer Vorteil von CT ist die weitestgehende Unabhängigkeit gegenüber den angesprochenen Problemen, welche bei der Untersuchung mittels Ultraschall auftreten können. Ein weiterer Vorteil von CT ist die zerstörungsfreie Prüfung der Proben, wodurch diese später als Referenzkörper für US oder neuartige Verfahren wie die aktive Thermografie verwendet werden können.
Im untenstehenden Diagramm (links) sind die quantitativen Porositätswerte von CFK-Proben ermittelt durch CT, den Werten aus den Standardverfahren in der Luftfahrt, der Ultraschallprüfung und der nasschemischen Analyse, gegenübergestellt. Das Diagramm zeigt eine sehr gute Korrelation zwischen den verschiedenen Messverfahren. Die rechte Abbildung (a) zeigt ein CT-Schnittbild ohne der segmentierten Poren und (b) die entsprechende Segmentierung, welche für die Berechnung der Porosität mittels CT herangezogen wurde.
Kontakt: bernhard.plank@fh-wels.at oder 3d-ct.at
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Projekt 3: Einfluss von Zinn auf das Erstarrungsverhalten von G-AlSi6Cu4
bearbeitet von Michael Rafetzeder/Spezialisierungszweig Metallische Werkstoffe
Im Rahmen dieser Projektarbeit wurde der Einfluss von Zinn (Sn) auf die Erstarrungseigenschaften einer AlSi6Cu4 Legierung untersucht. AlSiCu Legierungen sind typische Aluminium-Gusslegierungen, die vor allem im Automobilbereich eingesetzt werden (z.B. Produktion von Zylinderköpfen oder Motorblöcken). Zinn wird zum Teil als Hauptlegierungselement für bestimmte andere Aluminiumlegierungen eingesetzt (gute Gleiteigenschaften). So gelangt es durch den Recyclingprozess auch in geringen (<0,1%) aber teils stark schwankenden Gehalten als unerwünschtes Begleitelement in AlSiCu Legierungen. Zinn ist ein niedrigschmelzendes Element (Schmelzpunkt 232°C), das praktisch keine Löslichkeit in Aluminium aufweist. Ziel der Projektarbeit war es, den Einfluss von Sn in Gehalten von 0 bis 1000ppm auf das Erstarrungsverhalten und damit die Gießeigenschaften zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wurde die Erstarrungssequenz der Aluminiumlegierung mittels thermischer Analyse untersucht und eine eingehende Mikrostrukturuntersuchung mittels Licht- und Elektronenmikroskop durchgeführt. Es zeigte sich, dass Zinn einen deutlichen Einfluss auf die Erstarrungssequenz hat. So verringert sich die Solidustemperatur bei Zugabe von 1000ppm Sn um ca. 9°. Dieses verlängerte Erstarrungsende erhöht die Neigung der Legierung zu Lunkern. Es ist daher unbedingt notwendig den Sn-Gehalt in der Legierung zu beachten und als mögliche Fehlerursache zu berücksichtigen.
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Projekt 4: Analyse der Parameter für die Herstellung einer schrumpffreien PTFE-Membrane
bearbeitet von Florian Werner, Spezialisierungszweig Kunststoffverarbeitung
Die Firma Teadit International in Kufstein stellt Produkte aus dem Kunststoff Polytetrafluorethylene her, wie zum Beispiel Flachdichtungen, Dichtungsbänder und Membranen. Meine Arbeit bestand darin, den Schrumpf der PTFE-Membrane auf deutlich unter 10 % zu reduzieren.
Bei diesem Projekt lernte ich die Parameter kennen, die notwendig sind, um eine PTFE-Membrane herzustellen. Dabei hatte ich die Möglichkeit selbstständig Versuche durchzuführen.
Nachdem ich verschiedene Membranen herstellte, mussten diese auf Funktionalität und Schrumpf geprüft werden. Dazu nutzte ich das DSC (Differential scanning calorimetry), das REM (Rasterelektronen Mikroskop), ein Permeabilitätsgerät und natürlich die Fertigungsanlagen um die Membrane herzustellen. Ich war für die Erstellung des Projektplanes und für die Durchführung und Dokumentation des gesamten Projektes zuständig.
Als Ergebnis konnte der Schrumpf der Membrane auf 5 %, ohne Verlust an Funktionalität, gesenkt werden.
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Projekt 5: Optimierung der mechanischen Bearbeitung von luftdurchlässigen Kunststoffen
bearbeitet von Ernst Bauer/Spezialisierungszweig Kunststoffverarbeitung
Im Privatflugzeugsektor werden immer mehr Kunststoffapplikationen zur Veredelung von Oberflächen verwendet. Aus Gewichtsgründen werden leichte Faserverbundbauteile als hochfestes Kernmaterial mit dünnen Echtholzfurnieren überzogen und anschließend mit Klarlacken besprüht. Da in der Luftfahrt sehr strenge gesetzliche Brandschutzbestimmungen für den Innenausbau gelten, spielt der Flammschutz eine bedeutende Rolle bei solchen Lackierungen. Die Flammschutzadditive, der Faserverbundbauteil und die porenreichen Echtholzfurniere haben großen Einfluss auf die fertigen Oberflächen. Im Zuge der Projektarbeit wurden unterschiedliche, neue Lacksysteme getestet. Die erhaltenen Oberflächen wurden mittels Rasterelektronenmikroskop, Welligkeitsmessgerät und Weißlichttastung untersucht und beurteilt. Die Testbauteile wurden nach den ersten Testreihen in Klimaschränken definierten Umwelteinflüssen, erhöhte Luftfeuchte und Temperatur, ausgesetzt.
Als Haupteinflussfaktoren auf die fertige Bauteiloberfläche ergaben sich die Porigkeit der Echtholzfurniere, das Flammschutzadditiv und die späteren Umwelteinflusse.
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Projekt 6: Prozessentwicklung von Si-DLC-Schichten
bearbeitet von Christian Übleis/Spezialisierungszweig Metallische Werkstoffe
DLC(Diamond-Like-Carbon)-Schichten kombinieren aufgrund ihrer diamantähnlichen Struktur eine Reihe sehr guter mechanischer und tribologischer Eigenschaften. Diese Schichten weisen hohe Härten und eine hohe Verschleißbeständigkeit auf. Gleichzeitig können mit DLC-Beschichtungen selbst ohne Schmierung extrem niedrige Reibzahlen erreicht werden. Außerdem weisen diese Kohlenstoffschichten eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion auf.
Die Projektarbeit beinhaltet die Prozessentwicklung zur Abscheidung von Si-DLC-Schichten mittels einer PACVD-Anlage. Zusätzlich wurden auch Untersuchungen zum Entschichten DLC-beschichteter Substrate durchgeführt. Im Rahmen der Arbeit wurden auch Korrosionsuntersuchungen mit Hilfe einer Salzsprühnebelkammer an verschieden beschichteten Proben durchgeführt. Der Einfluss verschiedener Dotierungen von Kohlenstoffschichten auf die tribologischen Eigenschaften wurde untersucht. Auch die Möglichkeiten der DLC-Beschichtung von Aluminium und Hartmetall waren Gegenstand von Untersuchungen.
Es konnte gezeigt werden, dass sich DLC-Schichten durch geeignete Prozessgase und Ätzparameter entschichten lassen. Weiters konnte die Korrosionsbeständigkeit von bereits beschichteten Proben durch Kurzbeschichtungen und Mehrlagenbeschichtungen erheblich gesteigert werden. Tribologische Untersuchungen zeigten, dass DLC-Schichten durch gezielte Dotierungen an bestimmte Anwendungen mit Kunststoffen und Stählen angepasst werden können. So konnten die Reibzahlen bei diversen Kunststoffen als Gegenpart minimiert werden. Durch Beschichtung beider Reibpartner, also eine Reibpaarung DLC/DLC, konnten die ohnehin schon extrem niedrigen Reibzahlen bei Stahl/DLC nochmals erniedrigt werden. Schließlich wurde mittels Scratchtests gezeigt, dass sehr hohe Haftungen an Hartmetallen erreicht werden können.
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Projekt 7: Tribologische Untersuchungen zum System PVC-Kalibrierwerkzeug bei der Profilextrusion
bearbeitet von Johannes Weinert/Spezialisierungszweig Kunststoffverarbeitung
Ich forsche bei der Firma Greiner. Meine Aufgabe ist es, die Reibungsvorgänge in der Trockenkalibrierung verstehen zu lernen und unter Anwendung des Wissens die Reibung in der selbigen zu verringern. Dies ist wichtig, damit das Unternehmen seine Markposition beibehält oder sogar verbessert. Nur durch ständige Weiterentwicklung der Produkte kann ein Unternehmen auch schwierige Zeiten überstehen. Die Arbeit ist sehr abwechslungsreich und sorgt immer für Überraschungen. Mit jedem weiteren Versuch lernt man die ablaufenden Prozesse besser verstehen und kann Theorien über die Reibungsprozesse aufstellen. Durch diese Zusammenarbeit von 3 Unternehmen können schneller Erkenntnisse gewonnen und diskutiert werden.
