Advanced Materials and Manufacturing (Research Master)

Master of Science

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.

Thumb abwarme

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.

Thumb bild sorgel dispersion

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.

Thumb 7 unbenannt

Methoden der Mikroskopie, der Computertomographie und der Röntgendiffraktometrie spielen eine große Bedeutung in der Analyse von Leichtbauwerkstoffen oder von Funktionswerkstoffen für die Energietechnik. Dazu zählen z.B. Magnetwerkstoffe für die Energiewandlung und Werkstoffe für die Energiespeicherung.

In der Mikroskopie müssen große Flächen von Bauteilen automatisch abgescannt und die aufgenommenen Bilder gefügeanalytisch quantifiziert werden. Applikationen für modernste Licht- und Rasterelektronenmikroskope werden entwickelt. 
In der Computertomographie sind die Herausforderungen: höchste Auflösung im Submikrometerbereich, dreidimensionale Bildanalyse und „Reverse Engineering“.
Mit dem neu angeschafften Hochtemperaturdiffraktometer haben wir u.a. die Möglichkeit, last- und zeitabhängige Phasenumwandlungen in Echtzeit zu charakterisieren. Das Gerät ist weltweit nahezu einzigartig und bietet herausragende Möglichkeiten in der Werkstoffanalytik.

Auf den genannten Feldern bieten wir interessante Forschungsmaster-Themen für Werkstofftechnik-, Informatik- und Maschinenbau-Bachelorabsolventen, eingebettet in ein engagiertes Forscherteam. Für die Arbeiten stehen Ihnen high-end Geräte zur Verfügung.

Thumb bild ladwein1

In der Arbeitsgruppe ecKORR werden in Absprache mit dem Studierenden maßgeschneiderte Themen aus den Themenfeldern

    • (Mikro-)Elektrochemie
    • Korrosion & Korrosionsschutz
    • Korrosionsbeständige Metalle
    • Ferritisch-austenitische Duplexstähle
    • Tribokorrosion

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

    • (Micro-)Electrochemistry
    • Corrosion & Corrosion control
    • Corrosion Resistant Alloys
    • Duplex Stainless Steels
    • Tribocorrosion

International students are particularly welcome.

Bei Interesse kontaktieren Sie bitte (if interested please contact): thomas.ladwein@htw-aalen.de

Thumb bild spantec

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind aufgrund ihrer herausragenden physikalischen Eigenschaften im Einsatz in Luftfahrtindustrie nicht mehr wegzudenken. Mehr und mehr entwickeln sie sich in andere Anwendungen. Für die Elektromobilität stellen diese Leichtbaumaterialien eine Schlüsseltechnologie dar.

Neben der Herstellung der Komposite rückt die Bearbeitung zunehmend in den Fokus der Forschung und Entwicklung. Hier herrscht erheblicher Nachholdbedarf. So stützen sich die Erkenntnisse bei der spanenden Bearbeitung (z.B. Bohren) weitestgehend auf Erfahrungen aus der Bearbeitung klassischer Materialien. Dieser Erkenntnismangel, gepaart mit den hohen Anforderungen der Luftfahrt- und Automobilindustrie an die Bearbeitung von CFK-Werkstoffen macht es wichtig, die Wechselwirkungen zwischen Werkzeug und Werkstück sowie den Bearbeitungsparametern und der Bearbeitungsqualität und die Auswirkung auf die Festigkeitseigenschaften der bearbeiteten Komponenten zu verstehen.

In einem multidisziplinären, engagierten Team stehen Ihnen top ausgestattete Labore zur Durchführung Ihrer Arbeit zur Verfügung. Die Arbeiten sind eingebettet in das Zentrum für angewandte Forschung „Spantec-light“ im Verbund mit den Hochschulen Mannheim und Ulm.

Thumb antriebstechnik

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.

Thumb haerten richtig   rimkus

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.

Thumb lasermaterialbearbeitung

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

Thumb hybridantrieb

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.

Thumb amm polymere werkstoffe

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.

Thumb amm zerspanung

Die Zerspanung gehört zu den wichtigsten Verfahrensgruppen der Fertigungstechnik. Nahezu alle präzisen Bauteile im Maschinenbau und der Fahrzeugtechnik werden durch spanende Verfahren bearbeitet. Durch neue und weiterentwickelte Werkstoffe, aber auch durch die Forderung nach stetiger Kostenersparnis, Qualitätsverbesserungen und Steigerung der Flexibilität müssen die spanenden Fertigungsverfahren immer weiter optimiert werden.

In den letzten Jahren wurden am Stiftungslehrstuhl Spanende Fertigung Forschungsprojekte z.B. zur Optimierung der Bearbeitung rostfreier Stähle, zur Analyse und Optimierung von Werkzeugschwingungen und zur Optimierung bestimmter Einstechwerkzeuge, aber auch zu Themen der energieeffizienten Zerspanung durchgeführt.

In den angebotenen Forschungsarbeiten sind sowohl experimentelle, konstruktive als auch analytische Aspekte enthalten. Es steht Ihnen ein modern ausgestattetes Labor für Spanende Fertigung (insbesondere für die Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide) zur Verfügung.

Thumb amm slm

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.

Thumb amm laserschmelzen

Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe werden z.B. als elektrische Kontakte und als Wärmesenken in der Leistungselektronik eingesetzt. Im Bereich Windkraft sind neue Lösungen für höchstzuverlässige Metall-Kohlebürsten für extreme Langzeitanforderungen gefordert. Für Hybrid- und Elektrofahrzeuge werden neue maßgeschneiderte Werkstoff und Bauteilkonzepte zur Entwärmung der Leistungselektronik verlangt, um eine bessere wirtschaftliche Umsetzung zu ermöglichen. Die extrem energieeffiziente LED-Technik benötigt ebenfalls neue großserienfähige Entwärmungstechniken für die Hochleistungsleuchtmittel der Zukunft. Als Strukturwerkstoff können maßgeschneiderte Metall-Keramik Verbundwerkstoffe ihre Stärke durch exzellente Reibeigenschaften oder ihre gute Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen ausspielen.

Neue Verbundwerkstoffe auf Basis von metallinfiltrierten Keramik- und Kohlenstoffstrukturen bieten herausragende Chancen, die speziellen maßgeschneiderten Eigenschaftsprofile bei höchster Zuverlässigkeit mit zugleich bester Wirtschaftlichkeit der Systemlösungen zu vereinen.

Neueste Prozess- und Anlagentechnik für die Synthese von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen mittels Pulvertechnik, Squeeze-Casting und Gasdruckinfiltration bieten ein interessantes Betätigungsfeld. Die Herstelltechnik und das Verständnis dieser Werkstoffsysteme bietet eine Herausforderung für interessierte Nachwuchsforscher.

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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.

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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, lang-lebige und kostengünstige Werkstoffe mit auf die jeweilige Produktanforderung maßgeschneidertem Eigenschaftsprofil.

In verschiedenen Forschungsprojekten mit renommierten Firmen und Forschungsinstituten wie Fraunhofer, Max-Planck oder KIT werden Hochleistungsmagnetwerkstoffe wie Fe-Nd-B Magnete, SMC-Materialien und Elektroblech dahingehend weiterentwickelt. Hierfür ist die Korrelation der Gefügestruktur mit den Magneteigenschaften der Werkstoffe und darauf auf-bauend die Entwicklung geeigneter physikalischer mikro-magnetischer Modelle unverzichtbar.

Zur Durchführung Ihrer AMM-Forschungsmasterarbeit stehen Ihnen in einem hochmotivierten und exzellentem Forschungs-team modern ausgestattete Labore zur Verfügung.

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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.

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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

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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

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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.