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Experimental Analysis of SMC-Impeders for high-frequency induction tube welding
No full textBeim induktiven Längsnahtrohschweißen werden Magnetfeldkonzentratoren zur Effizienzsteigerung eingesetzt. Diese bestehen konventionell aus Ferriten. Der Einsatz von weichmagnetischen Polymerkompositen (SMC) kann die Effizienz des Prozesses steigern. Die Universität Chemnitz besitzt eine Rohrschweißanlage sowie eine Dauerversuchsanlage. An diesen wurden konventionelle Ferrite mit SMC-Werkstoffen verglichen. Das Ergebnis zeigt, dass durch den Einsatz von SMC-Werkstoffen deutliche Energieeinsparungen erzielt werden können.Magnetic field concentrators are used in HFI (High-Frequency Induction) tube welding to guide the current induced in the workpiece [1]. Ferrites are generally used for this purpose in industry. However, these have
shortcomings in terms of their mechanical and magnetic properties. The use of SMC materials can eliminate the significant disadvantages of conventional ferrites. This contribution aims to conduct an experimental
investigation of various SMC materials. The materials will be compared in terms of their suitability for use in HFI welding in terms of their long-term stability and electrical effectiveness
Examining Drivers’ Mental Models for Energy Efficient Electric Driving
No full textWhen switching from vehicles with combustion engine (ICEV) to battery powered vehicles (BEV) driving behaviour has a big impact on the available driving range. Currently, there is a lack of insight regarding the knowledge drivers should have to extend range by applying eco-driving strategies. Semi-structured interviews with N = 52 ICEV drivers were conducted on known eco-driving strategies as well as measures to reduce energy consumption and their application. The results revealed that most drivers do have knowledge of eco-driving strategies and measures to some extent. However, this knowledge is not extensive and some of it is not correct. While the effect of reduced vehicle speed on energy efficiency is underestimated, the effect of assistance systems like ACC is overestimated. In addition, participants reported applying fewer strategies than they actually know. We conclude that drivers should be provided with specific knowledge on eco-driving in electric vehicles as well as instant feedback showing benefits of eco-driving to promote actual application of the correct behaviors
FLINTA* Mobility – Challenges and Technological Support for Everyday Mobility of Female and Queer Persons Aged 15-24 in Vienna
No full text1 INTRODUCTION
„I can’t stand the traffic anymore. Especially if you are a woman, it is terrible in the evening. Therefore, I really want to get my own car.“ (Yasmina - anonymized, female, 16 years)
FLINTA* people are often neither involved in transport services and their infrastructure nor in the design processes. The term FLINTA* (women, lesbians, intersex, non-binary, trans and agender people) includes both female-bodied and queer people and therefore those groups „who are patriarchally discriminated against because of their gender identity.“ (Ehbauer, 2022, translation from the German original quote) Their mobility needs are rather unattended. This makes the smartphone an important mobility assistant, especially for women. Although the smartphone can reinforce their perceived safety for example, it conversely also leads to an overload. New concerns regarding their own mobility arise: the fear of an empty battery, concerns about the use of personal data or complicated handling of apps are added to fear of crime, concerns about too many/too less/the wrong people or inappropriate ‚dress up‘. (Catulli et al, 2023, 2-11) Beside females also queer people have to deal with numerous aspects that affect their perceived safety and comfort during mobility. Moreover, different transport modes and different travel times – especially the night – are perceived differently in terms of safety. People who are (seen as) queer and female are part of the most harassed group in public transport. Additionally intersectional discrimination is on effect. This not only leads to restrictions on their mobility, for example by (having to) avoid certain lines or (‘no go’) areas, but also to personal restrictions when they are forced to fit their own body and its perception into public spaces and make them appear inconspicuous (‘passing’). Thus (safe) infrastructure is also an important topic for this group. (Weintrob et al, 2021, 780-785; Liersch, 2024, 75-99; Ivanonva & O’Hern, 2024, 5) As a result FLINTA* people could benefit from an expansion of (gender-equal) mobility as a service. (Fang et al, 2021)
FLINTA* Mobility is examined as part of the project JuMp! - Youth in (sub)urban mobility processes. The JuMp!-project investigates gender equality and different mobility needs of the target group of 15–24-year-olds and the user-friendliness and handling of communication and planning technologies for mobility activities. https://www.angstfreimobil.at/jump-das-neue-projekt/
2 RESEARCH DETAILS
The research questions address challenges of FLINTA* persons aged 15-24 encounter in their everyday mobility (RQ1) and the contribution of geomedia and social media to improving equitable mobility for FLINTA* persons (RQ2).
2.1 Theoretical approach:
The theoretical basis for the project is formed by the concepts of mobility justice and freedom of mobility (Sheller, 2018; Hasebrinck, 2014) on the one hand and design justice and digital disadvantage (Chock 2020; Durand et al., 2022) on the other. These approaches are supplemented by a feminist examination of human–computer interaction (Bellini et al. 2022).
2.2 Method design:
In the project JuMp! a multi-method approach is being pursued, which contains accompanied mobility walks combined with in-depth interviews. The transcripts of the recorded walks and interviews are completed by photos and videos as well as screenshots and screen recordings of home screens and apps. (Kusenbach, 2003; Pink et al, 2015)
Individual interviews with 15-24 year olds from the suburbs of Vienna are preferred (due to challenging mobility experiences on the outer districts with night busses and on-demand-service infrastructure) besides friend-paired (2) or group (3-4) interviews. The respondents were selected according to a strategic sampling after a pretest. Following the saturation principle, the number of interviews and walks should ideally consist of 12 sets. Moreover, 23 flash interviews with young females in youth centres on the outskirts of Vienna are used, which were conducted during the exploration phase at the beginning of the project.
EU GDPR (General Data Protection Regulation) compliance as well as ethical requirements are of particular importance in the context of the walk/interview sets. All data is pseudonymized immediately during the transcription-process. Since recruitment is carried out in cooperation with youth organizations, contact information and interview content are never linked.
3 MOBILITY INSIGHTS
Preliminary results show that some aspects play a particular role when it comes to FLINTA* mobility: Nighttime mobility is identified as a major issue. Other people – mostly identified male – are seen as a challenge in mobility processes and affect (perceived) safety, often due to influence of alcohol and the unpredictability. Other relevant aspects are effects of external appearance – as hight, (heavy, “man-repelling”) makeup and obvious characteristics of queer identity – on perceived safety. Technology and smartphones serve as a safety strategy for young FLINTAS* e.g. to (pretend to) make phone calls or share location, especially via WhatsApp and Snapchat with their close ones.
4 IMPACT OF RESULTS
Our participants confirm that they themselves have been affected verbal and non-verbal harassment. Therefore, in their point of view, awareness is the most important aspect. Suggestions to improve transport services and to rise awareness should be: awareness teams, support when it comes to harassment and help against the aggressors as well as FLINTA* sensitive driver training. To make this possible, the JuMp!-project is collaborating with Vienna's public transport operator
Situation Awareness in Remote Train Operation: Effects of a Supplementary Task and Attention-Guiding Takeover Requests
No full text1 BACKGROUND AND OBJECTIVES
Automation in the railway sector offers the potential to enhance operational stability and capacity, improve safety, and reduce personnel costs by removing the train driver from the cab (Grippenkoven et al., 2020). However, as systems remain imperfect, human intervention will continue to be necessary to deal with unforeseen events. In Grades of Automation (GoA) 3 and 4, a remote operator (RO) stationed in a remote control centre will be responsible for acting when critical events require it (Grippenkoven et al., 2020). As in other transportation domains, critical events are expected to be infrequent but require situation awareness for an efficient reaction. However, disadvantageous working conditions such as a mostly passive monitoring task could lead to monotony and drowsiness, preventing the RO from remaining adequately aware of the situation (Brandenburger & Naumann, 2019; Merlhiot & Bueno, 2022). To mitigate such issues, ROs might engage in supplementary tasks (ST) during periods of low demand (Brandenburger & Naumann, 2019; Thomas-Friedrich et al., 2024). Yet, prior research in other domains suggests that STs can lead to delayed situation awareness and impaired take-over performance (Hungund & Kumar Pradhan, 2023). This study thus aims to assess the impact of a visually demanding ST on RO situation awareness and workload. Additionally, it investigates whether the use of attention-guiding take-over requests (AGTORs), which direct the RO’s focus toward the most critical element of the scene, may help in mitigating potential negative effects of engagement with a ST. While AGTORs have shown promise in automotive research (Chen et al., 2023), their effectiveness in the remote train operation (RTO) domain is unknown. Finally, to measure the effect of previous work experience in a closely related context, a subsample of active train drivers was included in the study.
2 METHODS
An experimental online study was conducted with 160 participants, 28 of whom were active train drivers. The other participants had no real-life experience of driving trains. In a 2x2x2 mixed design, participants were randomly assigned to one of two take-over-request (TOR) conditions (AGTOR vs. simple warning tone). Each participant worked on two experimental blocks, one of which contained a ST (a mentally demanding visual search task) and one of which consisted of monitoring an RTO environment in phases when no TOR was issued. Within each of these blocks, participants were presented with four TORs, followed each by a ten-second video sequence depicting the RTO work environment in a scenario where a critical reason that induced the TOR had to be found and understood within the first five seconds of the video. This critical reason could be found either in the camera view, the train parameter overview or the notification window of the RTO work environment. Each scenario included a sequence of the train front camera view of the railway environment. The landscape type (e.g. urban versus natural, flat terrain vs. valley), the number of tracks, and track electrification were varied, and no other trains were included. After the video had been played, the environment was blanked out and participants were asked to report on the reason for the TOR. In addition, once per block and in random order using a SAGAT approach (Endsley, 1988), participants were asked to report a total of 16 items of information and to rate which information they felt was crucial for understanding the overall situation. The number of critical reasons correctly identified and the percentage of correct SAGAT responses were used as measures of situation awareness. After each of the two blocks, workload was measured using the DLR-WAT questionnaire (Grippenkoven et al., 2018). SAGAT and workload scores were analysed using mixed-effects linear regression, and critical recognition performance using mixed-effects logistic regression.
3 RESULTS
Participants recognised on average 5.3 of the eight reasons leading to the TORs. Working on the ST reduced the likelihood of detecting these critical reasons (OR = 0.66, p = .020). AGTORs improved the likelihood of detecting the critical reasons compared to simple warning tones (OR = 2.18, p = .003). There were no effects of experience regarding recognition performance. Further, participants averaged 52.3 % of the 16 SAGAT questions answered correctly. Working on a ST was associated with higher SAGAT scores (b = 5.46, p < .001, r = 0.31). Train drivers showed higher SAGAT scores than non-train drivers, especially in the no-ST (ΔM = 5.95), compared to the ST condition (ΔM = 0.57), but this effect was not significant (p = .160, r = 0.11). Participants reported higher levels of workload following the ST condition compared to the no-ST condition (b = 15.32, p < .001). Notably, in both conditions workload levels averaged above the optimum value of 100 (MST = 134.49, MNo-Task = 119.35, scale from 0 to 200).
4 CONCLUSION
Engaging in a ST impaired recognition performance of critical take-over reasons but, unexpectedly, led to higher SAGAT scores. This finding may suggest that the ST helped maintain attention and engagement, thereby facilitating broader information sampling. However, it may also have introduced detrimental task-switching effects that impaired performance in the first seconds following the TOR, increasing the risk of missing the reason for the take-over. As accurate identification of the reason for a TOR is essential for responding effectively, the design of an RTO environment should focus on supporting the RO during these initial moments. In the study, when attention was directed toward the critical reason first through an AGTOR, detection rates improved significantly without impairing overall situation awareness. Train drivers did not perform significantly better than others on the SAGAT or the critical recognition performance. As all participants were unfamiliar with the environment, it is possible that train driver-specific skills did not translate into improved orientation and subsequent situation awareness. However, descriptive trends towards better SAGAT performance in train drivers, especially in the no-ST condition, may also have failed to reach significance due to a small subsample size.
Overall, this study provides an initial foundation for further exploration of human factors in RTO systems. While STs may help maintain operator attention and enhance job satisfaction, practitioners need to prioritize strategies that support rapid comprehension of the initial moments after a TOR was issued
A “cathode-less” Zn-MnO2 aqueous battery: from cm- to μm-scale
No full textThe fast development of autonomous miniaturized electronics down to the millimeter and even sub-millimeter scale, with the integration of multiple functional components, has triggered an urgent demand for size-compatible onboard power supplies for independent control and mission execution. Integrable micro-batteries allow for an on-demand call-up for energy. However, challenges rely on the micromachining and integration process. In addition to technical compatibility with other components (e.g., sensors) integration, micro-batteries require durable active materials and clever architectures to meet both requirements of stable energy output and a small footprint. Swiss-roll structures formed by rolling the planar thin film through etching and fine strain engineering enable reduced footprint area and enhanced ion diffusion. Meanwhile, using redox-active species stored in the media (e.g., Zn2+ and Mn2+ in the soil) opens up more opportunities for material selection and potentially simplifies the fabrication. In our work, we employ the Swiss-roll architecture and store energy in the electrolyte to construct a micro-scale aqueous battery based on the Zn2+/Zn0 reaction at the anode and the Mn(IV)/Mn(II) conversion at the cathode. This “cathode-less” battery chemistry arouses power supply applications “everywhere” by casting conductive ink on different substrates. Furthermore, the combination of microfluidic technique and Swiss-roll architecture realizes the decoupling of electrolytes concerning on-chip microfabrication. The tunable capacity by adjusting the charging time and electrolyte concentration allows flexible manipulation of the micro-batteries with the potential of integration with onboard micro-components for miniaturized devices in the future
Adressing Integration Obstacles for Carbon Nanotube-based Miniaturized Electro-mechanical Transducers
No full textEmerging electronic system architectures follow increasingly 3D integration concepts driven by further miniaturization, increase of performance, decrease of energy consumption, and implementation of further functionality. Following this More than Moore path, trendsetting on-top-of-complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technologies for nanodevices find increasing attention in semiconductor development roadmaps. Nanodevices implemented through nanomaterials such as semiconducting single-walled carbon nanotubes (CNTs) with their proceeded technology readiness level, give additional degree of freedom to upgrade such systems as substrate-independent and post-CMOS compatible technologies are already available. Although, they inherently feature extraordinary properties several technological obstacles are not yet addressed.
Pronounced obstacles like inadequate CNT assembly structure, interfering parasitic effects related to CNT/substrate interfaces, as well as insufficient pre-stress state of the CNTs are tackled within this thesis aiming on CNT-based piezoresistive sensors. Following a holistic approach, the activities range from the implementation of chromatography-based length separation of CNTs over wafer-level micro- and nanotechnological process-, module-, and equipment developments towards comprehensive and statistical data analysis. It could be shown, that short CNTs adversely affect integrability and reproducibility, underlined by a 25% decline of the fabrication yield of CNT based field-effect transistors (CNT-FETs) with respect to long CNTs. It furthermore turns out, that performance of CNT-FETs built from long CNTs show significant benefits in terms of subthreshold swing (up to 163%) and hole mobility (up to 300%), which could be explained by suppressed CNT chain formation within the transistor channel.
Furthermore, short-channel piezoresistive CNT sensors in FET configuration show a significant drain-induced barrier thinning characterized by a degradation of the subthreshold swing and a threshold voltage roll-off of (−1370± 130) mV · V−1 upon applied drain-source voltage. This device-specific effect enhances the intrinsic strain-sensitivity of the sensor of up to 150% with a maximum measured gauge factor of 800. In this regard, supporting transport simulations underline the importance of the Schottky barrier at the source/CNT junction as the dominating junction for tunneling currents responsible for the gained enhancement.
Finally, a technology module was developed, which further reduce parasitic effects such as stick-slip and slack behavior of device-integrated CNTs upon mechanical load by incorporation of layout-determined pre-strain. Utilizing a post-CMOS compatible sacrificial layer approach combined with residual stressed membranes, the integrated CNTs were strained by almost 1% in axial direction. This consequences in an reduced sensor offset determined by a reduction of the detection limit to 30 MPa. In addition this modul was successfully implemented by heterogeneous on-top-of application-specific integrated circuit technologies where CNT-FETs were characterized over an embedded
complementary metal-oxide semiconductor multiplexer circuit.
Hence, this work displays novelty and provides significant contributions on heterointegrated system-on-chip applications of upcoming nanomaterial-based devices for environmental sensing, condition monitoring, photonic integrated circuits, up to promising architectures for neuromorphic computing and the quantum technology science and application
Elektrisch leitfähige Funktionalisierung von 3D-Objekten mittels robotergeführten Inkjet-Druck- und Dosierverfahren
No full textDie vorliegende Arbeit handelt von der Erforschung und Entwicklung von gedruckten stromführenden Leitern auf dreidimensionalen Objekten, die mit robotergeführten Inkjet-Druck- und Dosierverfahren hergestellt werden. Im Fokus stehen dabei Forschungen, die von den drucktechnischen Grundlagen bis hin zur Demonstration der Technologie und deren Realisierbarkeit anhand konkreter Anwendungsbeispiele reichen. Dabei wird die Entwicklung eines Roboterversuchsstands und einer Vorgehensweise (Workflow) beschrieben, mit denen es möglich ist, Leiterzüge
direkt auf 3D-Objekte zu drucken. Die systematische Untersuchung und Optimierung der Technologie und des Prozesses stellt ein Novum dar und ist von großem Interesse für verschiedene Industriezweige wie der Automobil-, Luftfahrt- und Elektronikindustrie. Im Rahmen grundlegender Experimente werden zunächst die digitalen Drucktechnologien Inkjet und Dispensing hinsichtlich der Applikationsfähigkeit flüssiger Funktionsmaterialien auf geneigten und gekrümmten Oberflächen untersucht. Auf Basis der gewonnenen Daten entwickelte Modelle werden vorgestellt, die es ermöglichen, die Positionierungsgenauigkeit einzelner Tintentropfen in Abhängigkeit des Arbeitsabstands sowie den elektrischen Widerstand dispenster Leiterbahnen in Relation zu den Dosierparametern Bahngeschwindigkeit und Volumenstrom zu bestimmen. Im Bereich des Inkjet-Drucks wurde darüber hinaus der Nachweis erbracht, dass unabhängig von der Druckkopforientierung in alle Raumrichtungen annähernd gleich weit und genau gedruckt werden kann. Des Weiteren wurde das Fließverhalten von Schichten, die auf geneigte Oberflächen gedruckt wurden, untersucht und aufgezeigt, dass der elektrische Widerstand über die Leiterzüge ohne Inline-Nachbehandlung ungleich verteilt ist und eine Inline-Nachbehandlung vorteilhaft ist. Leiterzüge, die mit Dosierverfahren hergestellt werden, wurden zudem hinsichtlich der Strombelastbarkeit untersucht. Unter Berücksichtigung der im Rahmen der Grundlagenversuche gewonnenen Erkenntnisse wurden eine Inkjet-gedruckte Sitzheizung, dispenste Leiterbahnen zur verlustarmen Stromversorgung eines Fensterhebermotors und ein komplexes hybrides Sensorsystem zur Temperaturmessung realisiert. Die Ergebnisse können für die Realisierung von automatisierten robotergeführten Druckprozessen zur Herstellung von dreidimensionalen Schaltungsträgern überführt werden
Anthology of the EU-FairPlay Project: 2020-2024
No full textDiese Publikation enthält Beiträge von Mitgliedern des EU-FairPlay Netzwerks, das sich in den letzten vier Jahren gebildet hat. Dieses europaweite Netzwerk bietet eine Plattform für Forschende
und Praxispartner, um gemeinsam zum Thema digital game-based learning und Bildungsgerechtigkeit zu arbeiten. Das Netzwerk hat abschließend die verschiedenen Akteure eingeladen, ihre Forschungsarbeiten oder Praxiserfahrungen zum Thema des Netzwerkes gemeinsam zu veröffentlichen
Entwicklung eines sauerstoffarmen Beschichtungsprozesses zur Herstellung thermisch gespritzter hochbelastbarer Zylinderlaufbahnen
No full textZur Reduzierung der Fahrzeugemissionen setzt die Automobilindustrie im Bereich von Verbrennungsmotoren auf thermisch gespritzte Zylinderlaufbahnen. Die dünnen eisenbasierten Zylinderlaufbahnbeschichtungen ermöglichen durch die Substitution der schweren Graugussbuchsen sowohl neuartige Funktionsoberflächenstrukturen als auch eine kompaktere, gewichtsreduzierende Bauweise der Kurbelgehäuse von Verbrennungsmotoren. Aufgrund der charakteristischen Oberflächentopographie thermisch gespritzter Zylinderlaufbahnen, die als Ölreservoir fungiert und die typische Honstruktur ersetzt, sowie der geringen Rauheit der Funktionsflächen ist die Reibung zwischen der Zylinderlaufbahnbeschichtung und der Kolbengruppe signifikant reduziert. Die Gewichtsreduzierung und die verbesserten tribologischen Eigenschaften steigern die Effizienz von Verbrennungsmotoren und verringern die Fahrzeugemissionen. Aufgrund der permanenten Bestrebungen, die Fahrzeugemissionen zu reduzieren, steigen in Zukunft die thermo-mechanischen Belastungen im Verbrennungsmotor, z. B. durch Erhöhung der Zünddrücke. Dabei müssen die Zylinderlaufbahnbeschichtungen den hohen Belastungen dauerhaft standhalten. Eine elementare Funktionseigenschaft ist daher die Schichthaftung, die als Qualitätskriterium im Großserienbeschichtungsprozess dauerhaft gewährleistet sein muss. Die Schichteigenschaften können bislang nur im geringen Maße beeinflusst werden. Um die Ursache-Wechselwirkungsmechanismen des Beschichtungsprozesses von Zylinderbohrungen zu analysieren, wird in dieser Arbeit der eingesetzte Lichtbogendrahtspritzprozess zur Beschichtung von Zylinderlaufbahnen mit Hilfe einer numerischen Strömungssimulation untersucht. Die Simulationen zeigen in Kombination mit Beschichtungsversuchen und Mikrostrukturanalysen, dass die komplexen Strömungsbedingungen während des Innenbeschichtungsprozesses die Schichteigenschaften wesentlich beeinflussen. Trotz des Einsatzes von Stickstoff als Zerstäuber- und Hüllgas (engl. shroud gas) zum Erzeugen einer inerten Atmosphäre im Bereich der schmelzflüssigen Spritzpartikel bleibt der unerwünschte Einfluss von Sauerstoff im Beschichtungssystem bestehen. Das gezielte Einstellen der Strömungsbedingungen während des Beschichtungsprozesses ermöglicht eine sauerstoffarme Prozessumgebung, wodurch die Mechanismen der Schichtanbindung an das Substrat sowie der Schichtaufbau verändert und das Qualitätsmerkmal der Schichthaftung entlang der gesamten Laufbahnlänge signifikant verbessert werden. Weitere emissionsreduzierende Maßnahmen, wie gesteigerte Abgasrückführraten oder Wassser- und Harnstoffeinspritzung, können zu neuen chemisch physikalischen Zuständen im Verbrennungsraum führen und erhöhte Korrosionsraten an der Zylinderlaufbahn verursachen. Zudem bedingt die vermehrte Anwendung der Hybridtechnologie mit neuen Betriebsprofilen, die Verwendung von Kraftstoffen mit einem hohen Schwefelgehalt sowie der Einsatz von biogenen Kraftstoffen korrosive Angriffe an der Zylinderlaufbahn. Aus diesem Grund werden zwei hochlegierte Spritzwerkstoffe für die Anwendung als korrosionsbeständige Zylinderlaufbahnwerkstoffe untersucht und charakterisiert. Bei den Korrosionsuntersuchungen zeigen die analysierten chromhaltigen Werkstoffe mit ihrer spezifischen Mikrostruktur eine deutlich verbesserte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zum niedrig legierten Werkstoff, der nach dem Stand der Technik aktuell für Zylinderlaufbahnen eingesetzt wird. Durch die Übertragung der Erkenntnisse aus den numerischen Strömungssimulationen und der Anwendung der Ursache-Wechselwirkungsmechanismen können auch hier die Mikrostrukturen und Oberflächen der hochlegierten Laufbahnbeschichtungen gezielt verändert werden. Der modifizierte Schichtaufbau ermöglicht eine weitere signifikante Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit. Dieser positive Effekt kann ebenso beim niedrig legierten Werkstoff erzielt werden. Neben den korrosiven Angriffen ist es aufgrund der steigenden mechanischen Anforderungen wichtig, die Zylinderlaufbahnen v. a. im höchstbelasteten Bereich, dem oberen Totpunkt, robuster zu gestalten und die Verschleißbeständigkeit der Beschichtungen zu verbessern. Die Analysen der Oberfläche und des Schichtaufbaus nach verschiedenen Belastungsversuchen zeigen, dass eine gezielte Modifizierung der Beschichtungsmikrostruktur durch Veränderung der Strömungsbedingungen während des Beschichtungsprozesses zu deutlich verbesserten Verschleißeigenschaften führt. Ein gleichzeitiger Wechsel zu hochlegierten Werkstoffen ermöglicht zudem die Erhöhung der Verschleißbeständigkeit. Alle Maßnahmen zur Beeinflussung des Beschichtungsprozesses und den daraus resultierenden Schichteigenschaften können in einem Großserienprozess implementiert werden und sind in einer Design-Guideline zusammengefasst. Die Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis der Ursache-Wechselwirkungsmechanismen des Innenbeschichtungsprozesses von Zylinderbohrungen. Die Zusammenhänge und Erkenntnisse ermöglichen ein gezieltes Einstellen der Eigenschaften der Funktionsschichten.:Bibliographische Beschreibung
Danksagung
Kurzfassung
Abstract
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Symbolverzeichnis
1 Einleitung und Problemstellung der Arbeit
2 Stand von Wissenschaft und Technik
2.1 Thermisches Spritzen
2.2 Lichtbogendrahtspritzen
2.3 Zylinderkurbelgehäuse
2.4 Zylinderlaufbahntechnologie
2.5 Prozesskette zur Herstellung thermisch gespritzter Zylinderlaufbahnen
2.5.1 Aktivieren der Zylinderlaufbahnoberfläche
2.5.2 Beschichten der Zylinderlaufbahnen
2.5.3 Mechanische Schruppbearbeitung der Zylinderlaufbahnen
2.5.4 Honen der beschichteten Zylinderlaufbahnen
2.6 Modellierung und Simulation thermischer Beschichtungsprozesse
2.7 Schichthaftung thermisch gespritzter Schichten
2.8 Korrosion bei thermisch gespritzten Zylinderlaufbahnen
2.8.1 Korrosionsmechanismen
2.8.2 Korrosionsarten
2.9 Verschleißmechanismen thermisch gespritzter Zylinderlaufbahnen
3 Forschungsbedarf und Zielsetzung der Arbeit
3.1 Forschungsbedarf aus dem Stand von Wissenschaft und Technik
3.2 Zielsetzung der Arbeit
4 Experimentelle Methoden
4.1 Verwendete Werkstoffe und Probenkörper
4.2 Eingesetzte Prozesstechnologie
4.3 Charakterisierungsmethoden
4.3.1 Haftzugfestigkeitsmessung an Zylinderlaufbahnbeschichtungen
4.3.2 Mikrostrukturanalyse von Zylinderlaufbahnbeschichtungen
4.3.3 Chemische Analyse von Zylinderlaufbahnbeschichtungen
4.3.4 Messung der Zylinderform
4.3.5 Analyse der Zylinderlaufbahnoberfläche
4.4 Untersuchung der Korrosionseigenschaften von Zylinderlaufbahnbeschichtungen
4.4.1 Kesternichtest
4.4.2 Wechseltauchversuch
4.4.3 Stillstandskorrosionsprüfstand
4.5 Untersuchung der Verschleißeigenschaften von Zylinderlaufbahnbeschichtungen
4.6 Analyse der Partikelemissionen zur Gefährdungsbeurteilung für chromhaltige
Werkstoffe beim Lichtbogendrahtspritzen
5 Entwicklung eines Modells zur Simulation des Beschichtungsprozesses
5.1 Simulationsmodell für das Lichtbogendrahtspritzen
5.2 Geometrieentwicklung für strömungsoptimierte Zylinderkopftrennflächen-
Maskierungen
6 Ergebnisse
6.1 Ergebnisse der Haftzugfestigkeitsmessungen an Zylinderlaufbahnbeschichtungen
6.1.1 Einfluss der Absauggeschwindigkeit auf die Schichthaftung
6.1.2 Einfluss eines Maskendeckels auf die Schichthaftung
6.1.3 Einfluss der Brennergeometrie auf die Schichthaftung
6.1.4 Einfluss der Abdichtung des Kurbelwellenraums auf die Schichthaftung
6.1.5 Einfluss der Maskenhöhe auf die Schichthaftung
6.1.6 Einfluss der Maskengeometrie auf die Schichthaftung
6.1.7 Einfluss des Stickstoffflutens während des Beschichtungsprozesses
6.1.8 Einfluss des Zerstäubergasvolumenstroms auf die Schichthaftung
6.1.9 Zusammenfassung der Ergebnisse der Haftzugfestigkeitsuntersuchungen
6.1.10 Schichthaftung hochlegierter Zylinderlaufbahnwerkstoffe
6.2 Ergebnisse der numerischen Untersuchung des Lichtbogendrahtspritzprozesses
6.2.1 Ergebnisse zum Strömungsverhalten während des Beschichtungsprozesses
6.2.2 Ergebnisse der Querschnittsanalyse des Sauerstoffgehalts durch
Strömungssimulationen
6.2.3 Ergebnisse der quantitativen Analyse der Verteilung des Sauerstoffgehalts
6.2.4 Vergleich von Momentaufnahmen und zeitlich gemittelten Simulationen
6.2.5 Zusammenfassung der numerischen Ergebnisse des Lichtbogendrahtspritzprozesses
6.3 Ergebnisse der Mikrostrukturanalyse thermisch gespritzter Zylinderlaufbahnen
6.3.1 Ergebnisse der Gefügeuntersuchung an Zylinderlaufbahnbeschichtungen
6.3.2 Ergebnisse der Grenzflächenanalyse zwischen Beschichtung und
Substrat
6.3.3 Ergebnisse der Härteanalyse an Zylinderlaufbahnbeschichtungen
6.3.4 Oberflächeneigenschaften von Zylinderlaufbahnbeschichtungen
6.4 Auftragswirkungsgrad des Lichtbogendrahtspritzprozesses
6.5 Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen
6.5.1 Benetzungseigenschaften von Zylinderlaufbahnoberflächen
6.5.2 Kesternichtests
6.5.3 Wechseltauchversuch
6.5.4 Stillstandskorrosionsprüfung
6.5.5 Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Korrosionsuntersuchungen
an Zylinderlaufbahnbeschichtungen
6.6 Ergebnisse der Verschleißuntersuchungen
6.6.1 Schwing-Reib-Verschleiß Test
6.6.2 Ritzprüfung
6.6.3 Schnittkraftmessung
6.7 Ergebnisse der Partikelemissionsmessung beim thermischen Spritzen mit
chromhaltigen Werkstoffen
6.8 Ergebnisse der Zerspanung von Zylinderlaufbahnbeschichtungen
6.8.1 Feinbohren
6.8.2 Zirkularschleifen
6.8.3 Schrupphonen
6.8.4 Einstichversuch an Zylinderlaufbahnbeschichtungen
6.8.5 Honen
6.9 Gestaltungsrichtlinien zum Beschichten von Zylinderlaufbahnen
6.10 Zusammenfassung der Ergebnisse
7 Diskussion
7.1 Haftungseigenschaften thermisch gespritzter Zylinderlaufbahnbeschichtungen
7.2 Mikrostrukturanalyse thermisch gespritzter Zylinderlaufbahnen
7.3 Korrosionsverhalten thermisch gespritzter Zylinderlaufbahnen
7.4 Verschleißverhalten thermisch gespritzter Zylinderlaufbahnen
7.5 Partikelemissionen zur Gefährdungsbeurteilung beim thermischen Spritzen
mit chromhaltigen Werkstoffen
7.6 Zerspanungseigenschaften thermisch gespritzter Zylinderlaufbahnen
8 Folgerungen
9 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
Veröffentlichungen
Anhan
Simulation additiver Fertigung mittels Lichtbogen von Großbauteilen: Nichtlinearitäten und Konvergenz
No full textDie additive Fertigung von Stahl-Großbauteilen wie z.B. Schiffsgetriebegehäusen mittels DED-
Arc birgt das Potential Material, Energie sowie Kosten im Vergleich zu konventionellen
Fertigungsmethoden einzusparen. Das Verfahren kann jedoch nicht für den Einsatz im
industriellen Fertigungsumfeld genutzt werden, wenn die Ursachen für die Entstehung von
Eigenspannungen und Bauteilverzug nicht beherrscht werden. Hierzu sollen versuchsbegleitend
mithilfe von Struktursimulationen Untersuchungen durchgeführt und Vorhersagen getroffen
werden. Aufgrund der Nichtlinearität der Materialdaten sowie der Bauteilgröße führen die
Simulationen zu langen Rechenzeiten und instabilen Rechnungen, die zu Konvergenzproblemen
und häufig zum Abbruch der Rechnung führen.The additive manufacturing with DED-Arc of largescale steel components such as ship
gearbox housings has the potential to save material, energy and costs compared to conventional
manufacturing methods. However, the process cannot be used in an industrial manufacturing
environment if the causes of the development of residual stresses and component distortion are
not controlled. To this end, tests are to be carried out and predictions made using structural
simulations. Due to the non-linearity of the material data and the component size, the simulations
lead to long computing times and unstable calculations, which lead to convergence problems and
often to the termination of the calculation