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Current-induced domain wall motion in self-assembly of Co/Pt stripes: Towards 3D racetrack devices
No full textThis thesis offers an in-depth exploration into the design, fabrication, and performance evaluation of three-dimensional racetrack memory, a promising candidate for the next-generation spintronic device. We explore the novel approach to create a 3D magnetic memory device by combining the well-known techniques: (i) current-induced domain wall motion in stripes with perpendicular magnetic anisotropy and (ii) shapeable polymeric platform. We successfully achieved current-induced domain-wall motion in a heavy metal/ferromagnetic 3D racetrack. Additionally, we investigated the processes of writing and detecting the domain wall within this context. The second objective of this research is to analyse the influence of shape- and strain-induced effects on the behaviour of spintronic systems. By meticulously examining the spin-current generation efficiency and domain wall velocity in 2D and 3D states, we show the profound impact of geometry-induced strain, even at levels as low as 1.3%, on these crucial parameters. Additionally, we conducted a comparative analysis between glass and polymeric substrates, particularly addressing the influence of heat during the electric current pulse sequences. We show that temperature generation has a critical impact on the DW velocity, especially for narrow racetracks. In the final part of this thesis, we delve into the fabrication and characterization of antiferromagnetic/ferromagnetic heterostructures, which can enable a field-free magnetisation switching of magnetic stripes and islands. Overall, this thesis contributes to the ongoing evolution of racetrack memory technology by advancing the state-of-the-art in 3D racetrack design, fabrication, and performance optimisation.:List of abbreviations v
Chapter 1 ─ Introduction 1
1.1 General introduction 1
1.2 Semiconducting memory in ICT 2
1.3 Challenges in modern ICT memory 3
1.4 Non-volatile memory technology 5
1.5 Family of magnetic NV-RAM 8
1.6 Objectives and structure of the thesis 11
Chapter 2 ─ Basics of micro-magnetism 12
2.1 Magnetic orders 12
2.2 Ferromagnetism 13
2.2.1 Weiss theory of ferromagnetism 13
2.2.2 Stoner criterion 14
2.2.3 Spin-orbit interaction 15
2.3 Energies in micro-magnetism 16
2.4 Domain walls 19
2.5 Induced perpendicular anisotropy 21
2.6 Field induced magnetisation dynamics – LLG equation 23
2.6.1 Adiabatic spin-transfer torque 25
2.6.2 Non-adiabatic spin-transfer torque 25
2.7 Spin-orbit torque 26
2.7.1 Spin Hall effect 27
2.7.2 Rashba-Edeistein effect 28
2.7.3 Interface Dzyalonshinskii-Moriya interaction 29
2.8 Pinning contribution in DW propagation 30
2.9 Hall effects 31
2.9.1 Ordinary Hall effect 31
2.9.2 Anomalous Hall effect 32
2.10 Anti-ferromagnetism and exchange bias 33
2.11 Current-induced domain wall motion in 3D systems – State of the art 35
Chapter 3 ─ Materials and methods 41
3.1 Materials for shapeable polymer platform 41
3.2 Device fabrication methods 43
3.2.1 Photolithography 43
3.2.2 Electron-beam lithography 45
3.2.3 Ion milling 45
3.2.4 Magnetron sputter deposition 47
3.3 Device characterization methods 48
3.3.1 Digitally enhanced magneto-optical wide-field Kerr microscopy 48
3.3.2 DC SOT efficiency measurements with Kerr microscope 49
3.3.3 Alternating gradient force magnetometry 50
3.3.4 Atomic force microscopy 51
3.3.5 Anomalous Hall effect magnetometry 51
Chapter 4 ─ Results and Discussion 53
4.1 Material characterisation and fabrication considerations 53
4.1.1 Optical vs e-beam lithography 53
4.1.2 Subtractive approach 54
4.1.3 Additive approach 55
4.1.4 Co/Pt multilayers optimisation 55
4.1.5 Polymer tubes optimisation and fabrication 56
4.1.6 Substrate’s surface characterisation 60
4.2 Domain wall motion 62
4.2.1 CIDWM in 500 nm wide 2D racetrack 62
4.2.2 FIDWM in 500 nm wide 2D racetrack 64
4.2.3 CIDWM in 3 μm wide 2D and 3D racetrack 66
4.2.4 Micromagnetic simulation 72
4.3 Temperature contribution to CIDWM 74
4.3.1 Time-resolved resistance measurement 74
4.3.2 Temperature variation for 500 nm RT for 2D and 3D states 75
4.3.3 Temperature variation for 3 μm RT in 2D and 3D states 76
4.3.4 The influence of the pulse duration on the DW velocity 77
4.3.5 The influence of geometrical confinement on the current-induce DW velocity 79
4.3.6 The influence of geometrical confinement on the field-induced DW velocity 81
4.3.7 Temperature dependent CIDWM motion 82
4.4 DMI measurements 84
4.4.1 Field-driven domain wall motion 84
4.4.2 Asymmetric domain growth 86
4.5 SOT efficiency measurements 89
4.5.1 DC SOT measurements 89
4.5.2 AC SOT measurements 93
4.6 aFM/FM coupled systems 95
4.6.1 Influence of an additional Py layer on the switching process 98
Chapter 5 – Conclusion and outlook 102
5.1 Conclusion 102
5.2 Outlook 103
Bibliography 105
Appendix 115
List of figures 118
List of tables 119
Versicherung 120
Acknowledgements 121
List of publications 123
List of presentations 123
Curriculum Vitae 12
Dünnfilmiger und flexibler, thermoelektrischer Generator in cross-plane-Anordnung mit voll-anorganischem Aktivmaterial
No full textIn Zeiten weltweit steigender Energienachfrage, Abhängigkeit von prekären Energielieferstaaten und bereits spürbaren Folgen des Klimawandels werden weiterhin fossile Energieträger zur Stromerzeugung genutzt. Zur Verbesserung der nachhaltigen Stromversorgung können Energy Harvester wie thermoelektrische Generatoren eingesetzt werden. Sie haben keine beweglichen Teile und sind somit geräuschlos, verschleißfrei und skalierbar. Jedoch existieren sie aufgrund des geringen Wirkungsgrads bisher nur als Nischentechnologie. In dieser Arbeit wird das Konzept eines dünnfilmigen und flexiblen, thermoelektrischen Generators (DFlexTEG) in cross-plane-Anordnung und mit voll-anorganischem Aktivmaterial nachgewiesen. Hergestellt wird der DFlexTEG mittels konventioneller Mikrostrukturtechnik. Es werden dabei zwei unterschiedliche Methoden eingesetzt: die Oberflächen- und die Volumenplanartechnik. Der DFlexTEG erweitert das Spektrum der Einsatzgebiete, insbesondere in der nachhaltigen Energiegewinnung, enorm. Mögliche Anwendungen finden sich überall dort, wo Abwärme entsteht. Er lässt sich um Rohre biegen und ein mehrfaches Stapeln bietet die Möglichkeit zur Wirkungsgraderhöhung. Beispielsweise könnten industrielle Anlangen mit energieautarken Sensoren und Aktuatoren ausgestattet und die Entwicklung des Internet of Things weiter vorangetrieben werden.In times of rising global demand for energy, dependence on precarious energy-supplier-states and the significantly increasing consequences of climate change, fossil fuels remain a source of power generation. Energy harvesters, like thermoelectric generators, can be used to improve sustainable power supply. Due to the absence of moving parts, they work silently and are maintenance-free and scalable. As a result of their low efficiency so far they exist only as a niche technology. This thesis demonstrates the concept of a thin-film and flexible thermoelectric generator (DFlexTEG) in cross-plane layout and with fully inorganic active material. It is fabricated using conventional microstructure technology. Two different methods are used: surface and bulk planar techniques. The DFlexTEG expands the field of applications enormously regarding sustainable energy generation. Possible applications can be found wherever waste heat is generated. It can be bent around pipes. Futhermore, stacking could also improve efficiency. For example, industrial plants can be equipped with energy-autonomous sensors and actuators and the development of the Internet of Things could be further advanced
Investigation of Wafer-Level Electromagnetic Heating of Metallic Frames at Radio Frequencies: Analysis and Characterization of Standing Waves
No full textThe research provides concise insights into the thermal effects induced by standing waves. Through a combination of numerical FE simulations and experimental validations, the study comprehensively analyzes the distribution of EM fields, standing wave patterns, and resulting temperature profiles within the metallic frames. These findings offer crucial insights a lead to practical implications and limitations of the heating phenomena of several metallic structures at wafer-level, facilitating advancements in MEMS packaging processes. Further research regarding the coil, generator and process parameter optimization will be based on the presented results.:1. Introduction
2. Problem description
3. Preliminary results
4. Conclusions
5. References
6. Author
High-Yield Wafer-Scale Self-Assembly of 3D Microelectronic Devices for Electron Optics
No full textParallel fabrication of 3D self-assembled micro coils has been carried out, providing the basis for micro electromagnetic elements capable of shaping and modulating an electron beam with an adjustable magnetic field. The self-assembled micro coils were fabricated in parallel using a polymer technology demonstrated on a 6-inch wafer. The parallel process also successfully integrates the Bosch's deep silicon etching process to open an aperture for the electron beam. An 88% yield was achieved in this parallel process. The individual fabricated devices were tailored to fulfil various electron optical functions, including deflectors, lenses, and phase plates. Given their small dimensions, these devices were retrofitted into an existing transmission electron microscope. A static deflection in the mrad regime was observed for 300 kV electrons. In addition, 2D deflectors for the electron beam were fabricated to allow blanking, 2D scanning and a proof of concept for stroboscopic experiments. Useful electron beam deflection was observed up to a frequency of 100 MHz. The focusing devices used magnetic quadrupole schemes and achieved focal lengths of as little as 46 mm for 300 kV electrons. In addition, phase plate devices have been developed that can shift the phase of the 300 keV electron beam in the azimuthal direction up to several 1000 π rad. These elements indicate the practicality of miniaturizing electron optical components for a variety of applications, including multibeam instruments, miniaturized electron optical instruments, stroboscopic measurement setups, and the in-situ application of a tunable magnetic field.:NOTATION AND REMARKS VI
1 MOTIVATION 1
2 THEORY AND BACKGROUND 7
2.1 MICRO ELECTROMAGNETS 8
2.1.1 Magnetic Field Generation: Biot-Savart law 9
2.1.2 Electrical Characteristics 12
2.2 ELECTRON OPTICS 18
2.2.1 Deflectors, Differential Phase Contrast, and Dipoles 18
2.2.2 Electron Vortex Beam 21
2.2.3 Quadrupole Lenses 25
3 DESIGN, FABRICATION, AND TESTING SETUP 29
3.1 DESIGN AND FABRICATION OVERVIEW 30
3.1.1 Micro Electron Optical Systems: Design 30
3.1.2 Fabrication Steps (Flowchart) 36
3.2 WAFER-SCALE FABRICATION 38
3.2.1 Photolithography 38
3.2.2 Self-Assembly: Polymer Platform 45
3.2.3 Deposition Methods: Sputtering and Atomic Layer Deposition 56
3.2.4 Bosch Process (BP) 59
3.3 SINGLE DEVICE COMPLETION AND TESTING 63
3.3.1 Wafer dicing, micro wire insertion and shaping 63
3.3.2 Device Characterization 69
3.3.3 Experiment Setup: TEM Sample Holders 71
4 RESULTS AND DISCUSSION 77
4.1 YIELD OF SELF-ASSEMBLED MICRO COILS ON 6-INCH WAFER 78
4.1.1 Electrical Characterization: Planar versus Rolled 79
4.1.2 Visual Inspection 85
4.1.3 Current Breakdown Test 90
4.2 STATIC ELECTRON OPTICS DEVICES 95
4.2.1 Phase Plate: Electron Vortex Beam Generator 95
4.2.2 Deflector: Miniaturized Dipole 100
4.2.3 Magnetic Quadrupole: Focusing 106
4.3 DYNAMIC ELECTRON OPTICS 111
4.3.1 High-Frequency Deflection 112
4.3.2 Stroboscopic Setup 116
5 SUMMARY AND OUTLOOK 121
BIBLIOGRAPHY I
APPENDICES XI
APPENDIX A XII
APPENDIX B XIV
APPENDIX C XVIII
LIST OF FIGURES AND TABLES XXI
ACKNOWLEDGEMENT XXVI
VERSICHERUNG XXVII
Kapazitive mikroelektromechanische Beschleunigungssensoren
No full textIn der vorliegenden Arbeit erhält der Leser einen Überblick über kapazitive mikromechanische Beschleunigungssensoren. Neben aktuellen Entwicklungen und möglichen Einsatzfeldern werden auch die grundlegende Funktion sowie die Herstellung kapazitiver mikromechanischer Beschleunigungssensoren thematisiert. Vorgestellt werden dabei unter anderem verschiedene Technologiekonzepte, mit deren Hilfe sich MEMS-Beschleunigungssensoren fertigen lassen. Darüber hinaus zeigt die Arbeit auf, wie sich die Funktion, die Qualität und die Zuverlässigkeit mikromechanischer Beschleunigungssensoren durch die konstruktive Gestaltung wesentlicher Sensorbestandteile positiv beeinflussen lassen. Betrachtet werden in diesem Zusammenhang Elektroden, Federaufhängungen, mechanische Anschläge und Massekörper. Durch die Klassifizierung kapazitiver mikromechanischer Beschleunigungssensoren und durch die Betrachtung möglicher Verfahren zur Kapazitäts-Spannungswandlung wird sowohl Entwicklern als auch Anwendern die Auswahl einer geeigneten Sensorarchitektur bzw. eines geeigneten Sensors erleichtert. Ebenfalls relevant für die Entwicklung und Anwendung mikromechanischer Sensoren sind die in dieser Arbeit zusammengetragenen Aspekte zur Qualität und Zuverlässigkeit.:Formelzeichen und Abkürzungen
1 Einführung
1.1 Entwicklungen und Trends
1.2 Inhaltsübersicht
2 Funktionsprinzip
2.1 Übertragungsverhalten
2.1.1 Das Feder-Masse-Dämpfer-System
2.1.2 Die veränderliche Kapazität
2.2 Spezielle Effekte
2.2.1 Pull-In-Effekt
2.2.2 Elektrostatische Federerweichung
3 Fertigungstechnologien
3.1 Technologiekonzepte
3.1.1 Polysilizium-Technologie
3.1.2 Volumenmikromechanik
3.1.3 SCREAM-Technologie
3.1.4 SOI-Technologie
3.1.5 BDRIE-Technologie
3.1.6 AIM-Technologie
3.1.7 Mischtechnologien
3.2 Gedanken zur Technologieauswahl
4 Form- und Funktionselemente
4.1 Elektroden
4.1.1 In-plane Elektroden
4.1.2 Out-of-plane Elektroden
4.1.3 Berücksichtigung elektrischer Streufelder
4.2 Federn
4.2.1 Gerade Biegung
4.2.2 Schiefe Biegung
4.2.3 Lastfall Torsion
4.2.4 Eigenschaften mikromechanischer Federn
4.3 Mikromechanische Massekörper
4.4 Mikromechanische Anschläge
4.4.1 In-plane Anschläge
4.4.2 Out-of-plane Anschläge
5 Klassifizierung von Sensoren
5.1 Anzahl der Detektionsachsen
5.2 Anzahl der Massekörper
5.2.1 Anzahl der pro Massekörper erfassbaren Detektionsachsen
5.2.2 Elektrische Auswertung der Sensorkapazitäten
5.3 Messbereich
6 ASIC-MEMS-Interface
6.1 Kapazitätsanordnungen
6.2 Wandlerprinzipien
6.2.1 Transimpedanzwandler
6.2.2 Ladungsverstärker
6.2.3 Switched-Capacitor-Technik
6.3 Kapazitätsmessverfahren
6.3.1 Gleichspannungsschaltung
6.3.2 Modulationsverfahren basierend auf Synchrondemodulation
6.3.3 Sigma-Delta-Wandler
7 Zuverlässigkeit und Qualitätssicherung
7.1 Standards und Verfahren der Mikroelektronik
7.2 MEMS spezifische Aspekte der Zuverlässigkeit
7.2.1 Klebebedingte Ausfälle
7.2.2 Bruchbedingte Ausfälle
7.2.3 Partikel
8 Zusammenfassung und Ausblick
Anlagen
A1 Unterschied zwischen Kraft- und Stützenerregung
Literatur
These
Numerical fatigue life prediction considering process-related residual stresses of an incrementally formed component
No full textSingle-Point Incremental Forming (SPIF) as flexible manufacturing process is ideal for prototype production and small batch sizes. During the SPIF-process, sheet metal is formed by continuous movements of a spherical tool until the target geometry is formed. By adjusting the process parameters, the occurring deformation mechanisms and subsequently the residual stresses of the component can be directly manipulated. This enables geometrically identical manufactured components with different properties. The aim of this work is to identify correlations between the residual stresses and the fatigue life as well as the development of a FE-model in Fe-safe for fatigue life prediction. The commercial programme ABAQUS is used for the simulation of the ISF-process with a following fatigue life calculation in Fe-safe. The simulated fatigue strength is validated with experimental data. The experimental tests showed a higher fatigue life by using a larger tool feed. However, the scatter of the fatigue life also increases with increasing tool feed. However, the SPIF-model is only able to predict a section of the process parameter variations and cannot provide a reliable prediction of the outer limits. Nevertheless, the SPIF-model can react to the manufacturing-related residual stress and predict the fatigue life within the validated range qualitatively.Die inkrementelle Blechumformung (IBU) ist ein flexibles Herstellungsverfahren, das sich besonders für die Prototypenfertigung und kleine Losgrößen eignet. Beim IBU-Prozess wird ein Blechhalbzeug durch kontinuierliche Bewegungen eines kugelförmigen Werkzeugstichels umgeformt, bis die Zielgeometrie erreicht ist. Durch Anpassung der Prozessparameter können die auftretenden Umformmechanismen und damit auch der Eigenspannungszustand des Bauteils gezielt beeinflusst werden. Dadurch ist es möglich geometrisch identische Bauteile mit unterschiedlichem Eigenschaftsprofil herzustellen. Ziel der Arbeit ist die Identifikation von Zusammenhängen zwischen dem fertigungsbedingten Eigenspannungszustand und der zyklischen Belastbarkeit sowie eine Modellentwicklung in Fe-safe zur Lebensdauervorhersage. Für die Simulation des IBU-Prozesses mit anschließender Lebensdauerberechnung wird das kommerzielle Programm ABAQUS sowie Fe-safe verwendet. Die simulativ ermittelten Ergebnisse zur Dauerfestigkeit werden anhand experimenteller Versuche validiert. Im Rahmen der Arbeit konnte festgestellt werden, dass sich die Zugeigenspannungen auf der Innenseite des Bauteils durch eine größere Werkzeugzustellung verringern, wodurch die Lebensdauer unter Ermüdung verlängert wird. Jedoch nimmt auch die Streuung der maximal ertragbaren Lastwechsel mit steigender Werkzeugzustellung zu. Innerhalb der geprüften Prozessparametervariationen ist das IBU-Modell nur in der Lage einen Teil abzubilden, sodass die Grenzbereiche nicht zuverlässig vorhergesagt werden können. Dennoch ist das IBU-Modell für die fertigungsbedingten Eigenspannungsänderungen sensitiv und kann die Lebensdauer im validierten Bereich qualitativ vorhersagen
Dynamische Sicherheitszonen mit LSTM und Deep Reinforcement Learning für kollaborative Roboter: Eine simulationsbasierte Untersuchung
No full textDie Sicherheit in der Mensch-Roboter-Interaktion erfordert anpassungsfähige Sicherheitsstrategien, um dynamischen Arbeitsumgebungen gerecht zu werden. In dieser Arbeit wird ein Framework vorgestellt, das Deep Reinforcement Learning (DRL) und Long Short-Term Memory (LSTM)-basierte Bewegungsvorhersagen integriert, um Sicherheitszonen in Echtzeit dynamisch anzupassen. Ein 2D-Laserscanner wird verwendet, um die Positionen von Menschen im Arbeitsraum des Roboters zu erkennen, und ihr Bewegungsmuster durch ein LSTM-Modell vorherzusagen.
Die Simulation bildet die Grundlage für die Validierung des Systems, das aus drei DRL-Modellen besteht: Anpassung der Sicherheitszonengrenzen, Aktivierung von Hilfspunkten und deren Platzierung. Diese Modelle interagieren, um die Sicherheitszonen entsprechend den vorhergesagten Bewegungen des Eindringlings anzupassen und gleichzeitig den Arbeitsbereich des Roboters abzusichern.
Durch die Simulation konnte gezeigt werden, dass die dynamische Anpassung der Sicherheitszonen sowohl die Sicherheit als auch die Effizienz der Arbeitsumgebung verbessert, indem unnötige Einschränkungen des Arbeitsbereichs vermieden werden. Die Positionen von Roboter, Zielobjekten und Eindringlingen variieren in der Simulation zufällig, wodurch eine gute Generalisierung des Systems gewährleistet wird.Ensuring safety in human-robot interaction requires adaptive safety strategies to accommodate dynamic work environments. This paper presents a framework that integrates Deep Reinforcement Learning (DRL) and Long Short-Term Memory (LSTM)-based motion prediction to dynamically adjust safety zones in real time. A 2D laser scanner is used to detect human positions within the robot's workspace and predict their movement patterns using an LSTM model.
The simulation serves as the foundation for validating the system, which consists of three DRL models: adjusting the safety zone boundaries, activating auxiliary points, and optimizing their placement. These models interact to adapt the safety zones according to the predicted movements of the intruder while ensuring the security of the robot's workspace.
Simulation results demonstrate that dynamically adjusting the safety zones improves both safety and efficiency by avoiding unnecessary workspace restrictions. The positions of the robot, target object, and intruder vary randomly within the simulation, ensuring good generalization of the system
Simulative Auslegung von umgeformten Metallmembranen zur Leistungssteigerung von Membranverdichtern
No full textKonventionelle Membranverdichter nutzen flache Membranen, um Medien zu verdichten. Diese Membranen bestehen aus metallischen, hochfesten Blechen mit Blechdicken < 200 µm. Während des Verdichtungsvorganges werden diese Membranen ausschließlich im elastischen Bereich ausgelenkt, um die geforderte Lebensdauer zu erreichen. Daher ist der Hub und somit das verdrängte Volumen beim Einsatz von ebenen Membranen stark begrenzt, was zu längeren Verdichtungszeiten führt. Eine Substitution der flachen Membranen durch bereits (plastisch) vorgeformte Membrangeometrien ermöglicht eine Steigerung des verdrängten Volumens pro Hub und damit der Leistungsfähigkeit der Membranen. Daher wurden potenzielle Membranen mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulation in ABAQUS ausgelegt. Im ersten Schritt wurden der Blechdickenbereich, die Materialfestigkeit sowie die Geometrie der Membran mit Hilfe von Simulationen für das Umklappverhalten eingegrenzt. Die Membranwerkstoffe wurden durch einen Zugversuch charakterisiert und als Werkstoffmodell (u. a. mit Fließkurve und E-Modul) im Programm hinterlegt. Im Anschluss wurde das Umklappverhalten bei einer Druckdifferenz von 0,1 bar für verschiedene Parametervariationen getestet. Wie bei den ebenen Membranen gilt auch für die vorgeformten Geometrien, dass das Umklappen rein elastisch stattfinden muss, um ein frühzeitiges Versagen zu vermeiden. Daher wurden der Vergleichsumformgrad (PEEQ) und die Vergleichsspannung nach von Mises ausgewertet. Ist der der Vergleichsumformgrad größer als 0 und die maximale Vergleichsspannung nach von Mises größer als die Fließspannung, so ist das Umklappen der Membran nicht elastisch, sondern plastisch und somit nicht für den Einsatz in einem Membranverdichter geeignet. Im nächsten Schritt wurde Umformprozess zur Herstellung nicht-ebener Membranen simuliert und anschließend der Umklappvorgang beim mechanischen Hub vorhergesagt. Somit sollte einerseits die Herstellbarkeit der Geometrien sowie der Einfluss der Umformung (z. B. durch Verfestigung) ermittelt werden. Es wurden die Verfahren des Hohlprägens mit starren Werkzeugen sowie des Innenhochdruckblechumformens (IHB) simuliert. Auf Basis der Simulationsergebnisse könnten die optimalen Parameter für die Blechdicke, die Materialfestigkeit und Geometrie bestimmt werden. Diese konnten im Anschluss mit Hilfe von Umformwerkzeugen und einem Versuchstand zur Ermittlung der Lebensdauer experimentell validiert werden.Conventional diaphragm compressors use flat diaphragms to compress mediums. These diaphragms are made of high-strength sheet metal with a thickness of < 200 µm. During the compression process, these diaphragms are deflected only in the elastic range to achieve the required service life. Therefore, when using flat diaphragms, the stroke and therefore the displaced volume is severely limited, resulting in longer compression times. By replacing flat diaphragms with already (plastically) deformed diaphragm geometries, it is possible to increase the displaced volume per stroke and thus the performance of the diaphragms. Therefore, potential membranes were designed using finite element simulation in ABAQUS. In the first step, the sheet thickness range, the material strength and the geometry of the membrane were narrowed down with using simulations for the folding behavior. The membrane materials were characterized by a tensile test and stored in the program as a material model (including a flow curve and modulus of elasticity). The folding behavior was then tested at a pressure difference of 0.1 bar for different parameter variations. As with the flat diaphragms, the deformed geometries must also be folded purely elastically in order to avoid premature failure. Therefore, the equivalent strain (PEEQ) and the equivalent von Mises stress were analyzed. If the degree of equivalent strain is greater than 0 and the maximum equivalent von Mises stress is greater than the yield stress, the folding of the diaphragm is not elastic but plastic and therefore not suitable for use in a diaphragm compressor. The next step was to simulate the forming process for the production of non-flat diaphragms and then to predict the folding process during the mechanical stroke. The aim was to determine the manufacturability of the geometries and the influence of the forming process (e.g. through hardening). The processes of hollow stamping with rigid tools and hydroforming were simulated. Based on the simulation results, the optimum parameters for sheet thickness, material strength and geometry could be determined. These were validated experimentally using forming tools and a test rig to determine the service life
Iterativer Designprozess für Hohlpräge-gewalzte Elektrolyseurplatten am Beispiel von HyVentus
No full textFür die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse werden metallische Platten zur Medienführung und Membrankontaktierung (im Folgenden: Elektrolyseurplatten) benötigt, deren umformtechnische Herstellung nach dem aktuellen Stand der Technik herausfordernd ist: Einerseits ist die Produktionsrate aufgrund der üblicherweise diskontinuierlichen Umformung beschränkt, andererseits sind je nach Plattengröße teilweise immens hohe Umformkräfte notwendig. Walzverfahren können aufgrund der kontinuierlichen, schrittweisen Umformung diese Limitierungen überwinden und sind daher für die Herstellung von Elektrolyseurplatten besonders interessant. Im vorliegenden Artikel wird der HyVentus-Elektrolyseurstack als Open-Source-Plattform der Referenzfabrik.H2 des Fraunhofer IWU vorgestellt und die iterative Vorgehensweise bei der Entwicklung des Stack- und Plattendesigns thematisiert. In diesem Kontext werden funktionstechnische Anforderungen mit strömungstechnischen und umformtechnischen Aspekten in Einklang gebracht. Die umformtechnische Herstellbarkeit der Elektrolyseurplatten im Hohlprägewalzen wird abschließend mit simulationsbasierten und experimentellen Untersuchungen bewertet
Konzept eines Rapid-Tooling-Verfahrens für Gummi-Metall-Prototypen mithilfe additiv gefertigter Vulkanisationsformen
No full textElastomerbauteile die aus vulkanisierbaren Kautschukmischungen hergestellt wurden, zeichnen sich durch eine große Vielfalt verschiedener Anwendungsgebiete aus. Dabei ist ein großer Marktanteil die Verbindung von Gummi und Metall, welche zum Beispiel in Fahrwerksbuchsen zu finden ist. Für die Herstellung stellt das Spritzgießen die modernste und etablierteste Variante dar, welche für eine Massenfertigung bestens geeignet ist. Für die Forschung und Entwicklung von neuen Gummi-Bauteilen und der Weiterentwicklung von bestehenden ist es notwendig, dass Prototypen hergestellt werden, um gewünschtes Verhalten zu charakterisieren. Zwar können einzelne Entwicklungsschritte über Simulationen verifiziert werden, jedoch steht für die abschließende Validierung als Vorstufe zum Serienbauteil immer der Prototyp. Für die Herstellung von einzelnen Prototypen muss nach aktuellem Stand der Technik ebenfalls eine Spritzgussform hergestellt werden, was mit einem erheblichen Kosten und Zeitaufwand verbunden ist.
Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz beschäftigt sich mit einem Rapid-Tooling-Verfahren, bei dem nicht die Gummi-Bauteile selber, sondern die Formen für den Spritzguss 3D-gedruckt werden. Es werden alle Eigenschaften, welche den Kautschuk-Spritzguss charakterisieren hierbei berücksichtigt. Hauptpunkt ist die Vulkanisation der Kautschukmischung nach dem Einspritzvorgang. Um aussagekräftige Prototypen herzustellen, bedarf es einer exakten Vulkanisation der Kautschukmischung, wie dies auch im Spritzguss erfolgt. Nur dann können verschiedene Prototypen mit Serienbauteilen verglichen werden.:1 Einleitung
2 Grundlagen zur Prototypenherstellung
3 Grundlagen von Gummiwerkstoffen und deren Herstellung
4 Festlegung des 3D-Druckverfahrens für die Vulkanisationsform
5 Konzept Teil 1: Herstellung von Gummiprototypen
6 Anwendung des ersten Konzeptteils auf praxisrelevante Beispiele
7 Modellierung und Implementierung des Vulkanisationsgrades
8 Konzept Teil 2: Simulation des Vulkanisationsgrades
9 Zusammenfassung und Ausblic