Im folgenden finden Sie die aktuell für den Research Master Advanced Materials and Manufacturing angebotenen Forschungsthemen. Priorisieren Sie bitte im Zulassungsantrag drei Forschungsthemen, von denen Sie eines innerhalb des Studiums bearbeiten werden. Die Einigung auf ein Thema erfolgt im weiteren Verlauf des Zulassungsverfahrens.
Abwärmenutzung
Zu einer der größten, aktuellen Herausforderungen im Bereich der Energiespeicherung zählt die Entwicklung eines wieder aufladbaren Batterietyps mit sehr hoher Kapazität und Leistung bei gleichzeitig möglichst geringem Raumbedarf. Insbesondere der Bereich der Elektromobilität erfordert Akkumulatoren mit höheren Ladungs-, Energie- und Leistungsdichten als bislang verfügbar.
Einer der im Moment vielversprechendsten Ansätze ist das System Lithium/Schwefel. Dieses zeichnet sich durch eine hohe theoretische Leistungsfähigkeit, eine breite Verfügbarkeit der zugrundeliegenden Materialien, deren Umweltfreundlichkeit und geringen Toxizität aus. Um die neuen Akkumulatoren für die industrielle Anwendung nutzbar zu machen, sind weitere Anstrengungen erforderlich insbesondere im Bereich der experimentellen Kapazität und Zyklenfestigkeit.
In den angebotenen Forschungsarbeiten befassen Sie sich mit verschiedenen Methoden zur Oberflächenfunktionalisierung und anschließenden –charakterisierung. Moderne Analysengeräte sowie ein hochmotiviertes Betreuerteam unterstützen Sie bei der Durchführung Ihrer Arbeit.
AMM Dispersion
Zu einer der größten, aktuellen Herausforderungen im Bereich der Energiespeicherung zählt die Entwicklung eines wieder aufladbaren Batterietyps mit sehr hoher Kapazität und Leistung bei gleichzeitig möglichst geringem Raumbedarf. Insbesondere der Bereich der Elektromobilität erfordert Akkumulatoren mit höheren Ladungs-, Energie- und Leistungsdichten als bislang verfügbar.
Einer der im Moment vielversprechendsten Ansätze ist das System Lithium/Schwefel. Dieses zeichnet sich durch eine hohe theoretische Leistungsfähigkeit, eine breite Verfügbarkeit der zugrundeliegenden Materialien, deren Umweltfreundlichkeit und geringen Toxizität aus. Um die neuen Akkumulatoren für die industrielle Anwendung nutzbar zu machen, sind weitere Anstrengungen erforderlich insbesondere im Bereich der experimentellen Kapazität und Zyklenfestigkeit.
In den angebotenen Forschungsarbeiten befassen Sie sich mit verschiedenen Methoden zur Oberflächenfunktionalisierung und anschließenden –charakterisierung. Moderne Analysengeräte sowie ein hochmotiviertes Betreuerteam unterstützen Sie bei der Durchführung Ihrer Arbeit.
In der Arbeitsgruppe ecKORR werden in Absprache mit dem Studierenden maßgeschneiderte Themen aus den Themenfeldern
in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern bearbeitet.
The working group ecKORR works on subjects which can be tailored including the interests of the students in cooperation with national and international partners. Main fields are
International students are particularly welcome.
Bei Interesse kontaktieren Sie bitte (if interested please contact): thomas.ladwein@htw-aalen.de
Im Forschungsbereich innovative Antriebstechnik wird verstärkt auf Antriebskonzepte zur ressourcenschonenden Mobilität und insbesondere auf den wirtschaftlichen Transport von Gütern fokussiert. Hierbei spielen die Auslegung des Antriebstrangs unter Berücksichtigung der auftretenden Beanspruchungen und Lasten sowie die Abschätzung der Betriebsfestigkeit von Maschinen und deren Komponenten eine wesentliche Rolle. Die Erfassung der Lasten auf Basis unterschiedlicher Anwendung und die Übertragung in Vorgaben für die Erprobung zur Absicherung von Produkten zur Freigabe für die Serie ist Gegenstand der Forschung. Bei hydraulischen Maschinen (Turbokupplungen, Wandler, Retarder) werden die Kavitationsresistenz von Werkstoffen sowie die Geometrieoptimierung hinsichtlich Wirkungsgrad und Fertigbarkeit untersucht.
Aufgrund der hohen Gewichtssensitivität v.a. im Transportwesen sind tragfähige Leichtbaukonzepte unter Berücksichtigung wirtschaftlich günstiger Fertigungs- und Montageprozesse erforderlich. Vor allem der Verbindungstechnik unter Berücksichtigung einer hohen Flexibilität für die erforderliche Variantenvielfalt kommt besonderes Augenmerk zu.
Am Lastprüfstand können Antriebskonzepte bis zu einer Leistung von 300kW untersucht werden.
Die Wärmebehandlung von metallischen Werkstoffen spielt auch bei der Entwicklung von innovativen Leichtbaustrukturen eine entscheidende Rolle.Dabei ist auch die numerische Simulation im Bereich der Wärmebehandlung ein wichtiges Thema um die Prozesse zu verstehen und weiter zu entwickeln.
Bei diesem Forschungsgebiet steht die Optimierung der Wärmebehandlungsverfahren hinsichtlich der Werkstückeigenschaften (Verzug, Härteverlauf, Eigenspannungen) und des Energieaufwands im Vordergrund.Die Anwendung und Weiterentwicklung der Simulationswerkzeuge auf diesem Gebiet bietet ein zukunftsweisendes und innovatives Arbeitsfeld für Ingenieure.
Ziel der Forschung ist die möglichst exakte Abbildung des Werkstoffverhaltens während der Ver- und Bearbeitung in der Simulation.
Der Laser ist ein faszinierendes Werkzeug mit grenzenlosem Potenzial und einem besonderen Reiz. Im Laserlabor forschen wir mit leistungsstarken Lasern an fortschrittlichen Verfahren mit innovativen Werkstoffen.
Unsere Forschungsarbeiten haben zwei Schwerpunkte Lasermaterialbearbeitung innovativer Werkstoffe und neue Verfahren der Lasermaterialbearbeitung. Die innovativen Werkstoffe werden im Bereich des Leichtbaus eingesetzt, Beispiele sind die Laserbearbeitungsverfahren für den Verbundwerkstoff Hohlkugelstrukturen, das Laserschneiden von CFK-Strukturen und das Laserschweißen von Aluminium- und Magnesiumdruckguss. Die neuen Verfahren sind die Kombination Laserpolieren und Randschichthärten von Stahl und das Hart- bzw. Hochtemperatur-Laserlöten von zum Beispiel Rohren.
Wir arbeiten mit führenden Industrieunternehmen aus den Branchen der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie zusammen. Die Firmen verstehen sich als Marktführer in ihrem Segment.
Das Laserlabor ist modern mit CO2-Laser und gepulster Festkörperlaser ausgestattet. Anfang 2013 geht ein neuer fasergeführter 4 kW Festkörperlaser mit eigener Bearbeitungsstation und Schutzkabine in Betrieb. Die angebotenen Forschungsarbeiten beinhalten konstruktive und experimentelle Arbeit im Laserlabor, werkstoffwissenschaftliche Analyse und numerische, thermische Simulation.
Ansprechpartner und Betreuer: harald.riegel@hs-aalen.de
Zur Speicherung der elektrischen Energie in Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden Stand heute Lithium-Ionen-Batterien (LiB) zum Einsatz kommen. Zwar besteht eine langjährige Erfahrung im Bereich der Consumer-Electronis (z.B. Laptop), allerdings sind die Anforderungen an Energie- und Leistungsdichte und insbesondere Lebensdauer und Zuverlässigkeit von LiB für automotive Anwendungen um ein vielfaches höher und bis heute bei weitem noch nicht erfüllt. Die der Alterung zugrunde liegenden Mechanismen sowie die relevanten Einflussgrößen sind größtenteils noch nicht verstanden und Gegenstand großer Forschungsvorhaben.
Für die Großserienfertigung von LiB setzt man bislang, in Ermangelung erprobter Alternativen, auf die bekannten Fertigungstechnologien für Consumer Electronics Anwendungen. Erprobte, prozesssichere und kostenoptimierte Fertigungstechniken für automotive Anwendungen sind nicht ausreichend verfügbar. Zudem fehlt es an effizienten und aussagekräftigen Verfahren, die Qualität einzelner Fertigungsschritte innerhalb der komplexen Fertigungsprozesskette zu bewerten.
Die angebotenen Forschungsarbeiten befassen sich mit werkstoffwissenschaftlichen Aspekten der Alterung und der Fertigungsqualität von Lithium-Ionen-Batterien. In einem aktiven Forschungsteam stehen Ihnen modern ausgestattet Labore zur Durchführung Ihrer Arbeit zur Verfügung.
Polymere Werkstoffe umfassen Kunststoffe und Elastomere. Diese Materialien sind einzigartig in ihren Funktions-Eigenschaften, auch energieeffizient und recyclingfähig. Dadurch stehen sie generell für neuartige, nachhaltige Lösungsprinzipien und innovative Produkte. Im Zusammenhang mit den modernen Polymerwerkstoffen bestehen aber auch noch offene Fragen.
Mehrkomponenten-Mikroteile lassen sich heute nicht herstellen.
Konzepte und Machbarkeiten für einen funktionalen Leichtbau durch Einsatz von Multimaterial-Systemen müssen noch weiter entwickelt werden.
Der Einfluss der Werkstoffmorphologie auf die tribologischen Eigenschaften von elastomeren Dichtungen ist noch zu erforschen.
Eine quantitative Bewertung von polymeren Funktionsteilen mit fertigungsbedingten Fehlstellen fehlt.
Die Qualität von sicherheitsrelevanten Formdichtungen lässt sich heute nicht schnell und zuverlässig prüfen.
Die angebotenen Forschungsarbeiten zielen auf Lösungen der offenen Fragen; sie beinhalten werkstoff- und verarbeitungs-technische Aspekte sowie Modellierung und Simulation.
Hintergrund und Problemstellung:
Das selektive Laserschmelzen (kurz SLM) ist ein Verfahren der additiven Fertigung. Vollwertige, funktionsfähige Bauteile mit nahezu beliebiger Innen- und Außenkontur entstehen Schicht für Schicht durch Aufschmelzen von Metallpulver.
Die Potenziale dieser Technologie sind fast grenzenlos. Mittels des SLM-Verfahrens können innovative Integralbauteile im Bereich des Leichtbaus, der Druck- und Spritzgusstechnik sowie der Verkehrs- und Medizintechnik hergestellt werden.
Die freie Gestaltbarkeit von Flächen und Volumen stellen für die Konstruktion und Fertigung Chancen und Herausforderung gleichermaßen dar.
Einsatzgebiete finden sich im Prototypenbau und Reverse Engineering, bei Kleinstserien mit Individualitätsmerkmalen und in der Bereitstellung von Ersatzteilen bzw. Instandhaltung.
Aktuelle Fragestellungen befassen sich mit der Maßhaltigkeit und der Oberflächenbeschaffenheit der im SLM-Verfahren hergestellten Bauteile sowie mit der Charakterisierung deren mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Steifigkeit.
Neben den Prozessparametern beeinflusst auch das eingesetzte Metallpulver wie Aluminium- oder Titanlegierungen, Arbeits- oder Edelstähle die Bauteilqualität.
Dauermagnet-Werkstoffe spielen für die effiziente Energie-wandlung eine immer größere Rolle. Von strategischer Bedeutung sind sie für Generatoren bei der Erzeugung erneuerbarer Energie sowie für Elektromotoren in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder zur Motorisierung der automatisierten Fertigung im Rahmen von Industrie 4.0.
In verschiedenen Forschungsprojekten mit renommierten Firmen und Forschungsinstituten wie Fraunhofer, Max-Planck oder KIT werden ganz neue vielversprechende magnetische Phasen aufgespürt und daraus einsatzfähige Magnetwerkstoffe bis an die Grenze der Massenproduktion entwickelt. Die neuen Magnete sollen gegenüber den heutigen stärksten Werkstoffen (Seltenerdmagnete) verbesserte Verfügbarkeit der Rohstoffe (Kosteneffizienz, Ressourceneffizienz und Ressourcen-schonung) und/oder geeignetere Eigenschaftsprofile (Leistungsstärke und Langlebigkeit) aufweisen.
Zur Durchführung Ihrer AMM-Forschungsmasterarbeit stehen Ihnen in einem hochmotivierten und exzellentem Forschungs-team modern ausgestattete Labore zur Verfügung.
Hartmagnetische und weichmagnetische Werkstoffe spielen für die effiziente Energiewandlung und damit für die nachhaltige Etablierung von Elektromobilität und erneuerbare Energie eine Schlüsselrolle. Erforderlich sind hierfür leistungsstarke, langlebige und kostengünstige Werkstoffe mit auf die jeweilige Produktanforderung maßgeschneidertem Eigenschaftsprofil.
In verschiedenen Forschungsprojekten mit renommierten Firmen und Forschungsinstituten (KIT, Max-Planck, RWTH) werden Hochleistungs-magnetwerkstoffe wie Fe-Nd-B-Magnete, Elektroblech und SMC-Materialien dahingehend weiterentwickelt. Neue Weichmagnete und Weichmagnetbauteile, die sich für additive Fertigungsverfahren eignen, werden konzipiert und in ersten Prototypen getestet. In allen Fällen ist die Korrelation der Gefügestruktur mit den Magneteigenschaften der Werkstoffe unverzichtbar.
Zur Durchführung Ihrer AMM-Forschungsmasterarbeit stehen Ihnen in einem hochmotivierten und exzellentem Forschungsteam modern ausgestattete Labore zur Verfügung.
Der digitale Wandel erfordert, dass an Produktionsprozessen beteiligte Komponenten wie Werkstücke, Maschinen oder Auftrags- und Lagersysteme selbstständig miteinander kommunizieren. Unter dem Schlagwort Industrie 4.0 wird gegenwärtig die Digitalisierung der Produktion zu einem wichtigen Erfolgsfaktor für die deutsche Wirtschaft der Zukunft erklärt.
Eine interessante Möglichkeit zur effizienten Gestaltung von intelligenten Produktionsprozessen und Logistikabläufen stellt die magnetische Speicherung von Information dar. Sie kann direkt in den magnetischen Werkstoff erfolgen, sodass der Werkstoff selbst als Informationsträger fungieren kann. Als gängiger magnetischer Werkstoff haben magnetische Stähle großes Potential, hierfür in Frage zu kommen.
Damit könnten wichtige Voraussetzungen geschaffen werden, um in der stahlverarbeitenden Industrie wie beispielsweise dem Maschinen-, Anlagen- und Automobilbau Werkstücke aus Stahl in der Zukunft über den gesamten Lebenszyklus unsichtbar und zerstörungsfrei zu erfassen.
Zur Durchführung Ihrer AMM-Forschungsmasterarbeit stehen Ihnen in einem hochmotivierten und exzellentem Forschungs-team modern ausgestattete Labore zur Verfügung.
Hintergrund und Problemstellung:
Alle Smartphones, Tablets, Notebooks und Netbooks beinhalten mittlerweile mindestens eine leistungsfähige Miniaturkamera.
Bessere Objektive nützen einen Autofokus, bei dem verschieben kleine Stellantriebe („Aktuatoren“) die Linsen der Kameraoptik gegeneinander.
Extremen Miniaturisierung nutzt „smarte“ Materialien – wie beispielsweise Formgedächtnis-Legierungen aus Nickel-Titan. Das Projekt SMArtOPTIK zielt auf weitere Innovationen:
Formgedächtnis-Aktuatoren, die ihre Position ohne Energiezufuhr stabil halten und messen
Neuartige 3-D gedruckte Spritzgusswerkzeuge
Roboterbasierte Bearbeitungskette
Ziel des EU-Projekts Symplexity ist die Mensch - Roboter - Kollaboration. Für den bisher manuell durchgeführten Poliervorgang soll eine kombinierte Mensch-Roboter-Lösung entwickelt werden. Parallel dazu sollen Modelle für Bearbeitungsvorgänge erstellt und die Vorgänge simuliert werden.
Aufgaben:
· Mensch-Roboter Kollaboration
· Aufbau einer robotergestützten Polierzelle mit Selbstkonfiguration, In-Prozess-Messtechnik, Cloud-Anbindung
· Roboterbasierter 3D-Druck in Kunststoff
· Modellbasierte Vorhersage von Strukturen auf Oberflächen nach der zerspanenden Bearbeitung
Hintergrund und Problemstellung:
Die Entwicklung additiver Fertigungsmethoden ist in den letzten Jahren rasant vorangeschritten. Dabei fokussieren die meisten Arbeiten auf der Realisierung mechanischer Bauteile. Aber die additive Fertigungstechnologie biete auch hohes Potential im Bereich der Optik, da mit ihr optische Komponenten mit neuen Designfreiheitsgraden und damit komplett neuen Lösungsansätzen möglich sind. So können z.B. mehrere optische Funktionalitäten (Linse, Reflektor, Strahlteiler, …) in einer einzigen optischen Komponente integriert werden – was mit konventionellen Herstellungsmethoden unmöglich ist. Dadurch ergeben sich neue Systemlösungen.
Eine Herausforderung stellen jedoch noch die Materialien selbst und der Fertigungsprozess der Bauteile dar, da diese nicht auf optische Eigenschaften hin optimiert sind. Auch finden sich viele unbeantwortete Fragen in der Kombination verschiedener Materialien und Fertigungstechnologien, um bewusste optische Effekte im Volumen des 3D gedruckten Bauteils zu realisieren.
Additive Fertigungsverfahren (3D-Druck) haben derzeit starken Einfluss auf die Fertigungstechnik. Hohe Gestaltungsfreiheiten ermöglichen neue Bauteilgestaltung und eine ressourcen- und energieeffiziente Fertigung. Im Bereich des Prozess- und Materialverständnisses sowie in der Werkstoff- und Bauteilqualität besteht aufgrund der schnellen Entwicklung erhöhter Forschungsbedarf.
Die additiven Verfahren bergen hohes Potenzial verschiedenste Materialklassen zukünftig im 3D-Druck herstellen zu können und vollkommen neue Materialeigenschaften zu entdecken und zu entwickeln.
Sie unterstützen das Institut für Materialforschung bei verschiedensten Materialentwicklungstehmen im Bereich der additiven Fertigung. Hierzu zählen Parameterstudien zur Entwicklung neuer Materialien für laser- und lithographiebasierte 3D-Druck-Verfahren, Suspensions- und Pulverentwicklung für die additive Fertigung sowie materialwissenschaftliche und werkstoffkundliche Analysen additiv gefertigter Materialsysteme mittels modernster Prüfmethodik, Licht- und Rasterelektronenmikroskopie.
Bei der Durchführung Ihrer AMM-Forschungsarbeiten stehen Ihnen hochmotivierte Experten aus allen Bereichen der Materialwissenschaft zur Seite und Sie arbeiten mit modernsten Methoden in exzellent ausgestatteten Laboren.
Die Entwicklung effizienter elektrischer Antriebe für die Elektromobilität und Energiewende basiert im Wesentlichen auf der Verwendung leistungsstarker Magnetmaterialien mit auf die jeweilige Produktanforderung maßgeschneidertem Eigenschaftsprofil. Das Einbringen von detailliertem Materialwissen in die elektromagnetische Simulation ist hierbei eine der entscheidenden Herausforderungen.
In verschiedenen Forschungsprojekten mit renommierten Firmen und Forschungsinstituten werden hierfür geeignete Simulationstools entwickelt und an Prototypen erprobt.
Zur Durchführung Ihrer AMM-Forschungsmasterarbeit stehen Ihnen in einem hochmotivierten und exzellentem Forschungsteam modern ausgestattete Labore und Simulationssoftware zur Verfügung.
Bei Elektrofahrzeugen steckt ein erheblicher Teil der Wertschöpfung in den darin verbauten Energiespeichern – den Lithium-Ionen-Akkumulatoren (LiB). Zusätzlich kommen LiB vermehrt als stationäre Speichersysteme zum Einsatz. Deren Qualitätskontrolle ist unabdingbar für den sicheren Betrieb sowie der Reduzierung der Herstellungskosten. Zwar besteht eine langjährige Erfahrung im Bereich der Consumer Electronics (z.B. Laptop, Smartphone, etc.), allerdings sind die Anforderungen an Energie- und Leistungsdichte und insbesondere Lebensdauer und Zuverlässigkeit von LiB für stationäre bzw. automotive Anwendungen um ein vielfaches höher und bis heute bei weitem noch nicht erfüllt.
Für die Großserienfertigung von LiB setzt man bislang, in Ermangelung erprobter Alternativen, auf die bekannten Fertigungstechnologien für Consumer Electronics Anwendungen. Erprobte, prozesssichere und kostenoptimierte Fertigungstechniken für automotive Anwendungen sind nicht ausreichend verfügbar. Zudem fehlt es an effizienten und aussagekräftigen Verfahren, die Qualität einzelner Fertigungsschritte innerhalb der komplexen Fertigungsprozesskette zu bewerten. In diesem Zusammenhang sollen auch relevante Inline- und Offline-Prüfverfahren hinsichtlich Aussagekraft und Anwendbarkeit erprobt werden.
Für Ihre Forschungsarbeit im Rahmen des Research Masters steht Ihnen ein engagiertes Team mit modern ausgestatteten Laboren zur Seite.
Komplexe zerspanende Fertigungsprozesse fordern Werkzeuge aus Hartmetall, welche im Vergleich zu Eisenlegierungen überlegene Werkstoffeigenschaften aufweisen. Die pulverbettbasierte additive Fertigung, auch Laser-Powder Bed Fusion Verfahren (kurz: L-PBF) genannt, bietet aufgrund der nahezu unbegrenzten geometrischen Freiheiten die Möglichkeit, effizientere Werkzeuge mit innenliegenden Kühlstrukturen in optimiertem Verlauf, Form und Durchmesser, herzustellen.
Im Moment weisen WC-Co-Bauteile, welche mittels des L-PBF Prozess gefertigt wurden eine hohe Porosität im Bauteilvolumen, ein inhomogenes Kornwachstum und Phasen, welche zur Versprödung des Materials führen, auf. Die Qualität der Bauteile wird neben den Prozessparametern entscheidend von der Pulversorte beeinflusst. Gefordert wird eine Pulversorte mit hoher Schüttdichte, gutem Fließverhalten und geeigneter chemischer Zusammensetzung. Derzeit sind kommerziell keine geeigneten Pulversorten erwerbbar.
Am Institut für Materialforschung der Hochschule Aalen wird im Labormaßstab die Pulversynthese von WC-Co-Granulaten mittels Sprühtrocknung zur Granulation abgebildet, mit dem Ziel, geeignetere Pulversorten für die additive Fertigung zu entwickeln. Hierbei liegt der Fokus neben der Reduktion des Anteils an innerer Porosität und der Anpassung der chemischen Zusammensetzung der Granulate bei der Sicherstellung einer ausreichenden Suspensionsqualität sowie der Sicherstellung einer ausreichenden Granulatfestigkeit.
Neben einem engagierten Team stehen Ihnen sehr gut ausgestattete Labore zur Durchführung Ihrer Arbeiten zur Verfügung. Die Arbeiten sind eingebettet in laufende Forschungsprojekte, wie z.B. FHprofUnt-Forschungsprojekt „AddHard“ im Verbund mit den industriellen Partnern Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH, H.C. Starck Tungsten GmbH, MAPAL Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG, TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH.
Weil die additive Fertigung Vorteile in der Gestaltungs- und Materialfreiheit bietet, hält diese Technologie immer mehr Einzug in Industrieanwendungen. Daher entwickeln sich die kommerziellen Anlagen zum Laser Powder Bed Fusion-Verfahren deutlich in Richtung Wirtschaftlichkeit, mit steigender Bauraumgröße, mehreren Laserquellen, Auspack- und Handling-Stationen. Für Belange der Materialforschung im Labormaßstab sind jedoch im ersten Schritt nur kleine Mengen an Material (Pulver) erforderlich, weshalb wir bereits Anlagen im Labormaßstab entwickelt haben. Bei den Anlagen handelt es sich um eine manuell betriebene LPK (mLPK), in welcher Bauteile von ø: 20mm H: 10mm hergestellt werden können und um eine automatisierte LPK (aLPK) in welcher größere Bauteile (ø: 120mm H: 30mm), mit höherer Präzision hergestellt werden können. Neben Pulverkleinmengen können mit diesen Anlagen mehrere Materialien, innerhalb eines Prozesses, zu geschichteten Multimaterialverbunden verarbeitet werden, wodurch völlig neue Materialien entstehen. Des Weiteren sind mit Hilfe dieses Multimaterial Laser Powder Bed Fusion-Verfahrens Materialien denkbar, welche durch konventionelle Verfahren nicht hergestellt werden können.
Mit der mLPK wurden bereits erfolgreiche Vorversuche zu geschichteten Multimaterialbauteilen durchgeführt, wobei alternierende Schichten aus Fe und FeAl erzeugt wurden. Durch verschiedene Analysemethoden konnte gezeigt werden, dass mit dieser Herangehensweise solide Bauteile, bestehend aus getrennt voneinander vorliegenden, alternierenden Einzelschichten, gefertigt wurden.
Auf Basis dieser Grundlagen werden nun detaillierte Untersuchungen zu additiv gefertigten Multimaterialbauteilen durchgeführt, wobei besonderes Augenmerk auf Strukturen und chemischen Zusammensetzungen liegt, welche nur mit Hilfe der additiven Fertigung realisiert werden können. Hierbei sind Forschungsthemen im Bereich der Prozesstechnik, der Anlagentechnik, als auch der Materialanalyse für Prozess-Gefüge-Eigenschaftskorrelationen denkbar.
Neben einem engagierten Team stehen Ihnen sehr gut ausgestattete Labore zur Durchführung Ihres Research Masters zur Verfügung. Die Arbeiten sind eingebunden in laufende Forschungsprojekte am Institut für Materialforschung (IMFAA) und dem LaserApplikationsZentrum (LAZ) an der Hochschule Aalen
Materials microscopy is a widely used tool to determine the quantitative correlations between microstructure (phase fractions, grain structures, texture, microstructure defects) and the properties relevant for development and quality assurance of materials. Many problems like detection of defects or structural deviations are not feasible without automation any more. Existing threshold or object based algorithms for determining these structural features are reaching their limits because of the growing complexity within the images and the huge amounts of data. New developments in light-, electron- and 3D Xray-microscopy lead to highly improved visualization of microstructures but at the same time cause an immense growth in the amount and detail of the data which existing image processing solutions cannot handle. In other areas algorithms using pattern recognition and anomaly detection in images are developed much further. These approaches have to be transferred to materials microscopy, which means implementing robust and precise solutions ready for industry. The challenge is to detect inhomogeneity and defects in big and complex microstructures and components. Also, the measurement of object features (microstructure or particle structure, fine geometry, defects, component geometry) requires multi scale approaches. Machine learning and image processing serve the purpose to implement reliable and reproducible methods for evaluation and quantification of micrographs und enable us to capture materials parameters, to predict materials properties and to conclude manufacturing parameters from micrographs.
Ein wichtiges gesellschaftliches Ziel ist es, die vorhandenen Ressourcen effizient einzusetzen. Dazu bieten Leichtbaulösungen großes Einsparpotential aufseiten der Rohstoffe, Energie und somit Kosten. Besonders bei bewegten Massen – Fahrzeugindustrie, Windkraftanlagenhersteller bzw. Robotik – können durch Leichtbaulösungen Betriebskosten reduziert bzw. Nutzlasten erhöht werden. Somit kann durch das Einsparen von 100 kg an Fahrzeuggewicht der Verbrauch bis zu 0,3 l/100 km gesenkt werden, wobei die gleichen Fahreigenschaften erreicht werden können.
Faserverbundwerkstoffe wie z. B: kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) gelten heutzutage als „klassische“ Leichtbaumaterialien. Daneben gibt es metallische Leichtbauwerkstoffe sind z. B. Aluminium, Magnesium, Titan und hochfeste Stähle. Dies führt zu der Notwendigkeit die weiterhin größer werdende Vielfalt an Leichtbauwerkstoffen „richtig“ miteinander zu kombinieren (siehe Bild 1). Dafür werden am Institut für Materialforschung in Kooperation mit weiteren Hochschulinstitut und der Industrie neue hybride Fügeprozesse erforscht.
In den angebotenen Forschungsarbeiten befassen Sie sich mit experimentellen Untersuchungen an Leichtbaumaterialien und zu Fügeprozessen. Zur Ergebnischarakterisierung stehen modernste Analysengeräte zur Verfügung. Zu guter Letzt unterstützt Sie ein hochmotiviertes Betreuerteam unterstützt bei der Durchführung Ihrer Arbeit.
Hintergrund und Problemstellung:
Die Mobilität wird verstärkt im Kontext von Emissionen diskutiert. Elektrische Antriebe können hier einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung von Schadstoffen in sensiblen Einsatzbereichen leisten.
Der städtische Zuliefer- und Entsorgungsverkehr, kommunale Dienste (z.B. Straßenreinigung, Schneeräumung) sowie der urbane individuelle Personenverkehr profitieren von elektrischen Antrieben.
Für die Entwicklung und Produktion von Fahrzeugen ergeben sich damit neue Rahmenbedingungen. Klassische Konzepte der Serien- oder Großserie können bzw. müssen nicht übernommen werden.
Typspezifische Lösungen für Kommunal-fahrzeuge, Transportfahrzeuge oder land-wirtschaftliche Fahrzeuge erlauben bzw. erfordern individualisierte Konzepte.
Aktuelle Fragestellungen befassen sich mit der Entwicklung von (teil-)elektrifizierten Antriebs-einheiten, die als Module in verschiedene Fahrzeugtypen verbaut und mit anderen Antrieben (Verbrenner, Brennstoffzelle) in ein Gesamt-antriebskonzept integriert werden können. Die Module sollen in der Leistung skalierbar, räumlich flexibel verbaubar und an individuelle Rahmen-bedingungen adaptierbar sein.
Laserloeten
FEM-Simulation des Laserstrahl-Hochtemperaturkapillarspaltlötens von korrosionsfesten Stählen
Der Laser als präzises, hochautomatisiertes und flexibles Bearbeitungswerkzeug durchdringt immer weitere Bereiche der modernen Fertigungstechnik. Im Rahmen eines Forschungsprojektes werden hochfeste Kupfer-Lötverbindungen mit Fügepartnern aus korrosionsfesten CrNi-Stählen mit dem Laser als Energiequelle für Baugruppen im Bereich der Automobilindustrie und Kälte-/Wärmetechnik entwickelt.
In den angebotenen Forschungsarbeiten werden Sie FEM-Simulationen durchführen. Als Ergebnis der Simulation erhalten Sie Wärmeströme und dazugehörige Temperaturfelder in der Wechselwirkungszone Laser und Werkstück. Es soll ein tieferes Prozessverständnis erarbeitet werden und Empfehlungen zur Optimierung des Prozesses durch Sensitivitätsanalysen durchgeführt werden. Mit diesen Daten sprechen sie Empfehlungen für Verbesserungen aus.
Sie werden unterstützt und betreut. Dazu arbeiten sie in einem kompetenten und vom Löten seit Jahren begeisterten Team mit.
Materialbearbeitung von Aluminiumwerkstoffen mit ultrakurzen Laserpulsen
Laserlicht kann auf Grund seiner besonderen Eigenschaften sehr gut gebündelt werden. Dadurch werden Leistungsdichten im Bereich von Gigawatt/ cm² erreicht. Durch verschiedene technische Entwicklungen macht man sich diese Eigenschaften des „berührungslosen Werkzeugs“ Laser in der Materialbearbeitung mehr und mehr zu Nutze.
Mit der Entwicklung des Ultrakurzpulslasers (UKP-Laser) eröffnen sich noch einmal ganz neue Möglichkeiten, die mit konventionellen Werkzeugen nicht möglich sind. UKP-Laser arbeiten mit einzelnen Laserpulsen die eine Dauer zwischen wenigen Femtosekunden (10-15 s) und wenigen Pikosekunden (10-12 s) haben – zum Vergleich: Das Verhältnis von 7 fs zu einer Sekunde ist dasselbe wie die Strecke von einem Millimeter zur Entfernung zwischen Erde und Sonne.
Vorteil dieser ultrakurzen Pulse sind zum einen die hohen Pulsspitzenleistungen, die Effekte außerhalb der linearen Physik (Zweiphotonenabsorption) erlauben, wodurch beispielsweise für die jeweilige Laserwellenlänge transparente Materialen bearbeitet werden können. Zum anderen lassen die sehr kurzen Wechselwirkungszeiten keine Wärmeleitung im Werkstück zu, was eine „kalte Bearbeitung“ von temperatursensible Materialen ermöglicht.
Einsatz finden UKP-Laser im Bereich der Oberflächenfunktionalisierung. In verschiedensten Anwendungsfällen können durch Mikrostrukturierung die Oberflächeneigenschaften auf die jeweilige Anwendung eingestellt werden. Mögliche Anwendungsfälle sind Vorbehandlungen zum Kleben zur Steigerung der Bindefestigkeit, Bearbeitung von Elektroden für Batterien zur Effizienzsteigerung, selbstreinigende Oberflächen, etc.
Ultrakurzpulslasern Stahwerkstoffe
Materialbearbeitung von Stahlwerkstoffen mit ultrakurzen Laserpulsen
Laserlicht kann auf Grund seiner besonderen Eigenschaften sehr gut gebündelt werden. Dadurch werden Leistungsdichten im Bereich von Gigawatt/ cm² erreicht. Durch verschiedene technische Entwicklungen macht man sich diese Eigenschaften des „berührungslosen Werkzeugs“ Laser in der Materialbearbeitung mehr und mehr zu Nutze.
Mit der Entwicklung des Ultrakurzpulslasers (UKP-Laser) eröffnen sich noch einmal ganz neue Möglichkeiten, die mit konventionellen Werkzeugen nicht möglich sind. UKP-Laser arbeiten mit einzelnen Laserpulsen die eine Dauer zwischen wenigen Femtosekunden (10-15 s) und wenigen Pikosekunden (10-12 s) haben – zum Vergleich: Das Verhältnis von 7 fs zu einer Sekunde ist dasselbe wie die Strecke von einem Millimeter zur Entfernung zwischen Erde und Sonne.
Vorteil dieser ultrakurzen Pulse sind zum einen die hohen Pulsspitzenleistungen, die Effekte außerhalb der linearen Physik (Zweiphotonenabsorption) erlauben, wodurch beispielsweise für die jeweilige Laserwellenlänge transparente Materialen bearbeitet werden können. Zum anderen lassen die sehr kurzen Wechselwirkungszeiten keine Wärmeleitung im Werkstück zu, was eine „kalte Bearbeitung“ von temperatursensible Materialen ermöglicht.
Einsatz finden UKP-Laser im Bereich der Oberflächenfunktionalisierung. In verschiedensten Anwendungsfällen können durch Mikrostrukturierung die Oberflächeneigenschaften auf die jeweilige Anwendung eingestellt werden. Mögliche Anwendungsfälle sind Vorbehandlungen zum Kleben zur Steigerung der Bindefestigkeit, Bearbeitung von Elektroden für Batterien zur Effizienzsteigerung, selbstreinigende Oberflächen, etc.
Freilegung von CFK-Fasern durch Laservorbehandlung
Durch gesetzliche Vorgaben sowie dem Streben nach geringerenKraftstoffverbrauch führt dazu, dass das Gewicht von Kraftfahrzeuge sinkenmuss. Ein wichtiger Leichtbauwerkstoff ist kohlenstofffaserverstärkterKunststoff (CFK). Die Laservorbehandlung ist mit Herausforderungen verbunden,da eine thermische Schädigung des Faser-Epoxid-Verbundes vermieden werden muss.Mit der Entwicklung des Ultrakurzpulslasers (UKP-Laser) eröffnen sich hierbeineue Möglichkeiten, die mit konventionellen Laser nicht möglich sind. Durch diePulsdauer von wenigen Femtosekunden (10-15 s) und wenigenPikosekunden (10-12 s) ist der lokale Wärmeeintrag deutlichbegrenzt, wodurch ein Abtragen des Epoxids ohne Schädigung der Kohlefasernmöglich ist.
In der angebotenen Forschungsarbeit sollen dieWechselwirkungsprozesse der UKP-Laserstrahlung mit verschiedenen CFK Werkstoffeuntersucht werden. Hierbei sollen Korrelationen zwischen der eingebrachten Laserenergiezum Abtrag der Epoxid-Matrix aufgezeigt werden. In Zusammenarbeit mit demInstitut für Materialforschung (IMFAA) soll das bearbeitete CFK mitverschiedenen optischen Messmethoden an der Oberfläche sowie in tieferliegenden Schichten durch Schliffe auf Schädigungen untersucht werden.
Ihre Forschungstätigkeit wird durch ein motiviertesForscherteam unterstützt, die Ergebnisse in einem Projektteam besprochen sowiefür weiterführende wissenschaftliche Versuche verwendet.