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Im Rahmen dieser Diplomarbeit konnte das etablierte direkte Laserschreiben um einen zusätzlichen
abregenden Strahlengang ergänzt werden, dessen Einfluss im Hinblick auf das
Polymerisationsverhalten untersucht wurde.
Bei dem verwendeten (Negativ-) Photolack IP-L 780 konnte durch stimulierte Emission die
Generierung von Radikalen unterbunden werden, indem die an- und abregenden Laserfokusse
räumlich überlagert wurden. Dabei stellte sich heraus, dass ein relativ großer Intensitätsbereich
den erwünschten Effekt hervorruft.
Die in der Fluoreszenzmikroskopie seit langem verwendeten Abregungsmoden (doughnut und
bottleshape) konnten mithilfe von räumlichen Lichtmodulatoren und dem speziell für diesen
Zweck entwickelten Programm zur PSF-Darstellung sehr gut erzeugt werden. Dabei fanden
neben den Zernike-Polynomen auch inverse Gauß-Funktionen zur Aberrationskorrektur Anwendung.
Auch sogenannte Multifokusse (lateral und axial) konnten durch eine geeignete
Gewichtung der Zernike-Polynome zuverlässig generiert werden, wobei die dafür notwendigen
Phasen- und Amplitudenpattern mithilfe eines entsprechenden iterativen Algorithmus
(GSA3D) berechnet wurden.
Der laterale Polymerisationsdurchmesser konnte sowohl durch die doughnut-Mode, als auch
durch den lateralen Multifokus von 240 nm um ca. 50 % auf ungefähr 120 nm reduziert
werden. Der stimulierende Teil der doughnut-Mode, der entlang der Schreibrichtung dem
Polymerisationsfokus vorauseilt (oder hinterherläuft), führt zu keinerlei relevanten Unterschieden
im Vergleich zum Multifokus.
Dies konnte zudem durch ein Experiment verifiziert werden, bei dem die An- und Abregungsfokusse
entlang der Schreibrichtung um verschiedene Distanzen versetzt positioniert
wurden. Ob der stimulierende Laser den Photolack räumlich (und damit zeitlich) einige hundert
Nanometer (bzw. einige Millisekunden) vor oder nach dem anregenden beeinflusst, zeigt
dabei keinerlei Unterschiede. Je größer der Versatz, desto geringer die stimulierende Wirkung.
Demnach scheint der abregende Laser den Photoinitiator (DETC) zu stimulierter Emission
zu bringen, bevor dieser seine absorbierte Energie zur Spaltung und damit zum Polymerisationsbeginn
nutzen kann.
Der axiale Polymerisationsdurchmesser konnte sowohl mit der etablierten bottleshape-Mode,
als auch mit dem hier entwickelten axialen Multifokus von ca. 400 nm um 50% auf unge-
57
5 Zusammenfassung und Ausblick Julian Hering
fähr 200 nm reduziert werden. Bei Letzterem war der Intensitätsring in der xy-Ebene bei
z = 0 deutlich stärker ausgeprägt als bei der bottleshape-Mode, was zu einer erhöhten
lateralen Polymerisationsunterdrückung und damit zu einem schlechteren Aspektverhältnis
führte. Nichtsdestotrotz konnte dadurch im Rahmen dieser Arbeit erstmals STED-DLW mittels
räumlicher Lichtmodulatoren betrieben werden.
Die mit starren Phasenmasken bereits erreichten Linienabmessungen von bis zu 65 nm lateral
und 180 nm axial konnten somit zwar nicht erreicht werden, jedoch ist in dieser Hinsicht eine
deutliche Verbesserung gegenüber dem zuvor verwendeten normalen DLW unverkennbar. Leider
zeigt die Kombination mit STED jedoch neue Herausforderungen auf. So wurde z.B. die
Strukturqualität beim Anfahren und Abbremsen des Piezos enorm verschlechtert. Auch die
Generierung mancher Abregungsmoden erwies sich als äußerst mühsam und zeitaufwendig.
Aus diesem Grund wird in Zukunft ein automatisiertes Vorgehen bei der Aberrationskorrektur
angestrebt, sowie eine aufeinander abgestimmte Ansteuerung der jeweiligen Laserleistungen.
Der Strukturierungszeitaufwand aufgrund der verwendeten Geschwindigkeit von 100 μm/s
kann in Zukunft ebenfalls verringert werden, da das Auslenkverhalten der beiden Fokusse in
einem Radius von 50 μm mittels Galvanospiegel-System weitestgehend gleich ist. Zu diesem
Zweck müssen allerdings je nach verwendeter Geschwindigkeit die nötigen Laserleistungen
ermittelt werden. Außerdem muss die räumliche Formkonstanz der An- und Abregungsmoden
bei einer Auslenkung um bis zu 50 μm untersucht werden. Durch den Verzicht auf das
Piezo-System würde sich das Problem der schlechten Qualität an den Strukturkanten eventuell
erübrigen.
Zudem lässt sich durch die Verwendung räumlicher Lichtmodulatoren der Einsatz verwendeter
Abregungsmoden weiter ausbauen. Axiale Multifokusse mit einer Halbwertslücke von
unter 300 nm und einem Intensitätsminimum von unter 30% sind theoretisch kein Problem.
Es gilt demnach, diese Moden zu generieren und auf deren Verbesserung hinsichtlich Linienbreite
und -länge zu untersuchen. Ein Test zur Ermittlung des Signal zu Rausch Verhältnisses
der jeweiligen Moden über den gesamten möglichen Bereich der stimulierten Emission würde
beispielsweise stark zur Charakterisierung der Multifokusse beitragen.
Am 25.11.2015 fand in Kaiserslautern die Fachtagung „Mikroschadstoffe aus Abwasseranlagen in Rheinland-Pfalz“ statt. Veranstalter waren das Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft und das Zentrum für innovative AbWassertechnologien (tectraa) an der Technischen Universität Kaiserslautern, die Wupperverbandsgesellschaft für integrale Wasserwirtschaft (WiW) sowie das Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Ernährung, Weinbau und Forsten des Landes Rheinland-Pfalz (MULEWF).
Hintergrund der Veranstaltung war das Forschungsprojekt „Relevanz, Möglichkeiten und Kosten einer Elimination von Mikroschadstoffen auf kommunalen Kläranlagen in Rheinland-Pfalz, aufgezeigt am Beispiel der Nahe - Mikro_N“, das tectraa in Zusammenarbeit mit WiW im Auftrag des MULEWF durchgeführt hat. Im Rahmen der Fachtagung wurden sowohl Projektergebnisse vorgestellt als auch allgemein relevante Fragestellungen zum Thema Mikroschadstoffe beleuchtet. Rahmenbedingungen sowie Perspektiven für eine Elimination der Mikroschadstoffe bildeten weitere inhaltliche Schwerpunkte der Veranstaltung.
Die Gewichtsreduktion im Strukturbereich stellt einen zentralen Optimierungsansatz in der Luftfahrtindustrie dar, der vor allem durch adäquate Fügetechnologien genutzt werden kann. Ausgehend vom aktuellen Stand der Technik im Helikopterbau, dem Nieten, gilt es durch die Verwendung einer innovativen Fügetechnologie das volle technologische Leistungsvermögen hinsichtlich Performance, Qualität und Kosten zu nutzen. Dazu wurde das Induktionsschweißen als die potentialreichste Fügetechno-logie für den Helikopterbau bewertet. Um dieses identifizierte Potential für eine Luftfahrtfertigungstechnologie nutzbar zu machen, ist es unerlässlich, das Indukti-onsschweißen an die Luftfahrtanforderungen anzupassen. Vor allem in den Berei-chen Nachweisbarkeit, Leistungsfähigkeit und Kosten wurden daher Fragestellungen identifiziert deren Beantwortung den Kern dieser Arbeit darstellt.
Beim Induktionsschweißen werden faserverstärkte Thermoplaste durch ein Auf-schmelzen der Matrix und ein anschließendes Abkühlen unter Druck gefügt. Die Erwärmung des sich in einem alternierenden elektromagnetischen Feld (EMF) befindlichen Laminats erfolgt dabei durch die Einkopplung eines elektrischen Stroms in die Fasern.
Das zentrale Element zur Erreichung der geforderten Leistungsfähigkeit stellt die interlaminare Temperaturverteilung dar, welche es nachzuweisen gilt. Dieser Nach-weis wurde durch ein umfassendes analytisches Modell realisiert, das eine höchst-präzise interlaminare Temperaturberechnung ermöglicht. Die Kernaussagen, welche aus dem Modell abgeleitet werden, sind die dickenabhängige Erwärmung des Laminats, die EMF-Semipermeabilität der Laminatoberflächen und der nicht expo-nentielle Abfall sowie der nicht lineare Verlauf der Temperatur in Dickenrichtung. Die Validierung der analytischen Modellierung gelang nur durch die Identifikation einer EMF-toleranten, hochdynamischen Temperaturmesstechnologie, welche mit hoher Auflösung interlaminar eingesetzt werden kann.
Auf Grundlage der Modellergebnisse wurden die optimalen Schweißparameter definiert, auf deren Basis die Leistungsfähigkeit der Induktionsschweißtechnologie mit circa 36 MPa Scherfestigkeit bestätigt wurde. Durch eine Sensibilitätsanalyse konnte weiterhin der Einfluss der Parameter Generatorleistung, Kühlvolumen, Anpressdruck, Induktorabstand, Fehlereinschlüsse und Geschwindigkeit bestimmt werden. Aufgrund der im aktuellen Anlagenaufbau nicht vorhanden Parameterüber-wachung und aufgrund des hohen Prozesseinflusses erwies sich dabei der Induktor-abstand als der kritischste Faktor.
Etwaige dadurch auftretende qualitative Mängel können durch den schlanken, maßgeschneiderten Einsatz einer Kombination aus der Ultraschalluntersuchung, einer in der Luftfahrt standardmäßig eingesetzten Qualitätssicherungsmethode und eines progressiven Inline-Prozesskontrollansatzes detektiert werden.
Parallel zur mechanischen Leistungsfähigkeit der Technologie stand der Einfluss der Temperaturverteilung auf die Oberflächenqualität im Fokus. Durch die umfangreiche theoretische und experimentelle Analyse bereits bekannter und neu entwickelter Temperaturoptimierungsmethoden konnte mit der Kühlung der Oberfläche mit temperatur- und volumenvariablen Druckluftströmen eine effiziente Methode zur zielführenden Lösung der bestehenden Problemstellung ermittelt werden.
Die Anwendbarkeit der Induktionsschweißtechnologie konnte auch durch eine Kostenrechnung am Beispiel eines helikopterspezifischen Musterbauteils bestätigt werden.
Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, für den innerhalb der Faserkunststoffverbunde
etablierten Liquid Composite Molding (LCM) Herstellungsprozess, eine optimierte
Preformherstellung aus unidirektionalen (UD) Verstärkungsfasern zu entwickeln.
Dies beinhaltet auch das lokale Verstärken einer textilen Preform. Der ausschlaggebende
Prozess ist hierbei der Preform-Prozess, da dieser Kostentreiber innerhalb
der LCM-Prozesskette ist, in welchem die Verstärkungsfasern zu einem trockenen,
transportfähigen und meist flächigen Faserrohling verbunden werden.
Innerhalb des hier entwickelten Preformingprozesses werden Kohlenstofffasern, sogenannte
Heavy Tows mit einem pulverförmigen Bindersystem eingebracht, erhitzt
und mittels Endeffektor beim Ablegen konsolidiert. Die für den Prozess benötigten
Module und Systeme wurden vor der Online-Bebinderung zuerst an einem separaten
Offlinebebinderungsprüfstand montiert. Mittels dieses Offlinebebinderungsprüfstandes
war die Optimierung und Analyse der einzelnen Module und Systeme durch die
Herstellung eines kontinuierlich bebinderten Rovings (Halbzeug) außerhalb der diskontinuierlichen
Online-Bebinderung möglich. Zugleich wurden mit dem Offlineprüfstand
Halbzeuge mit unterschiedlichem Bindergehalt und unterschiedlichem Bindertyp
hergestellt um einen Einfluss des Bindergehaltes als auch des Bindertyps auf die
Eigenschaften der Preform und des infiltrierten Bauteiles zu analysieren. Die Analyse
der Versuche zeigte deutlich, dass die Wahl des Bindertyps bei gleichbleibender Infiltrationsmatrix
einen signifikanten Einfluss auf die Performance des Bauteils hat,
wohingegen die Bindermenge tendenziell einen untergeordneten Einfluss zeigt. Nach
der Sicherstellung der Funktionsfähigkeit der Module wurden diese an ein robotergestütztes
Ablegesystem zur Online-Bebinderung installiert. Die Applizierung der Binderpartikel
innerhalb der Online-Bebinderung erfolgt temporär während des Ablegeprozesses.
Zur Demonstration der Funktionsfähigkeit wurde eine quasiisotrope Glasfaserpreform
lokal mit den Kohlenstofffasern verstärkt. Die hergestellte ebene Preform
wurde im Anschluss erwärmt, kompaktiert und in eine 3 dimensionale Preform
umgeformt.
Den Abschluss der Arbeit bildet eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des entwickelten
Prozesses im Vergleich zu zwei „State of the Art“ Preformherstellungsprozessen.
Hierbei konnte gezeigt werden dass die Kosten des gesamten Bauteiles um 3,7 %
sinken unter Anwendung des neu entwickelten Verfahrens der Online-Bebinderung.
Kontinuierlich faserverstärkte Thermoplaste (Organobleche) bieten ein großes Potential für den Einsatz in großvolumigen Sichtanwendungen. Es existieren jedoch einige material- und prozesstechnische Hindernisse hinsichtlich der Umsetzung dieses Potentials. Mit dieser Arbeit soll dazu beigetragen werden, das nötige, tiefgehende Verständnis bei der material- und prozesstechnischen Auslegung von optisch hochwertigen Organoblechbauteilen bereitzustellen. Die Arbeit umfasst:
- Untersuchungen zu material- und prozesstechnischen Parametern
- Eine analytische sowie eine FE-Modellbildung der Oberflächenausbildung samt Verifizierung
- Die Entwicklung eines Werkzeugkonzepts zur Verbesserung des isothermen Verarbeitungsprozesses
Die Untersuchung des Einflusses der textilen Gewebeparameter Faserdurchmesser und Maschenweite auf die Oberflächenwelligkeit von Organoblechen zeigen eine zunehmende Welligkeit mit steigendem Faserdurchmesser bzw. Maschenweite. Es wurde eine Grenzwelligkeit Wz25 = 0,5 μm ermittelt, ab der subjektiv keine Welligkeit mehr wahrgenommen wird. Im Prozessvergleich zwischen isothermer und variothermer Verarbeitung besitzen variotherm verarbeitete Organobleche eine um 40 – 50 % geringere Welligkeit. Dieser Effekt wird auf die geänderte thermische Prozessführung während der Abkühlphase zurückgeführt. Die Erkenntnisse wurden in einem analytischen Prozessmodell beschrieben, welches neben den thermischen Eigenschaften auch das rheologische Matrixverhalten berücksichtigt. Auf dem entwickelten Modell aufbauend wurde eine FE-Prozesssimulation entwickelt und an experimentellen Daten verifiziert. Das Modell ermöglicht die Vorhersage der Oberflächenwelligkeiten von Organoblechen variabler Laminatkonfiguration bei variothermer Verarbeitung und beschreibt zusätzlich das Verhalten der Organobleche unter ebener Scherung.
Um die oberflächenverbessernden Eigenschaften der variothermen Verarbeitung auch im isothermen Prozess nutzbar zu machen, wurde ein neuartiges Werkzeugkonzept entwickelt, welches die Prozessfenster über angepasste thermische Werkzeugeigenschaften gezielt einstellen kann. Neben einer verbesserten Bauteiloberfläche kann durch eine optimierte Prozessauslegung die Gesamtprozesszeit verkürzt und der Energiebedarf verringert werden.
In this contribution a mortar-type method for the coupling of non-conforming NURBS surface patches is proposed. The connection of non-conforming patches with shared degrees of freedom requires mutual refinement, which propagates throughout the whole patch due to the tensor-product structure of NURBS surfaces. Thus, methods to handle non-conforming meshes are essential in NURBS-based isogeometric analysis. The main objective of this work is to provide a simple and efficient way to couple the individual patches of complex geometrical models without altering the variational formulation. The deformations of the interface control points of adjacent patches are interrelated with a master-slave relation. This relation is established numerically using the weak form of the equality of mutual deformations along the interface. With the help of this relation the interface degrees of freedom of the slave patch can be condensated out of the system. A natural connection of the patches is attained without additional terms in the weak form. The proposed method is also applicable for nonlinear computations without further measures. Linear and geometrical nonlinear examples show the high accuracy and robustness of the new method. A comparison to reference results and to computations with the Lagrange multiplier method is given.