Beim Fertigungsprozess von Bauteilen aus thermoplastischen Kunststoffen bilden sich Eigenspannungen aufgrund von mehreren überlagerten Phänomenen. Die resultierenden Eigenspannungen können das Bauteilverhalten sowohl positiv als auch negativ beeinflussen, je nachdem, ob sie einer äußeren Last entgegen- oder gleichgerichtet sind. Für die quantitative Ermittlung von Eigenspannungen in kurzfaserverstärkten, also anisotropen Werkstoffen, existiert bislang kein praxisrelevantes Verfahren.
Im Forschungsvorhaben wurde daher die inkrementelle Bohrlochmethode auf die Anwendung an kurzfaserverstärkten Kunststoffen übertragen. Wesentliche Vorteile des Verfahrens liegen in der Möglichkeit von Messungen an komplexen Geometrien und der tiefenabhängigen Information über den Eigenspannungszustand. Der höheren Komplexität des anisotropen Werkstoffverhaltens wurde durch automatisierte Kalibrations- und Auswerteprozeduren Rechnung getragen. Die neue Methodik wurde weiterhin bei der Untersuchung des Einflusses von Prozesseinstellungen im Spritzguss auf das resultierende Eigenspannungsprofil eingesetzt. Abschließend wurde die praktische Anwendung der Methodik auf Bauteilebene gezeigt.
Die Forschungsergebnisse können insbesondere bei Ingenieurbüros und Prüfdienstleistern Anwendung finden. Ingenieurbüros können die numerische Kalibration in ihr Portfolio aufnehmen. Prüfdienstleister können ihr Angebot bezüglich Eigenspannungsmessungen auf anisotrope Werkstoffe erweitern. Die Ergebnisse erlauben die tiefenabhängige und lokale Bestimmung von Eigenspannungszuständen an Bauteilen aus kurzfaserverstärkten Werkstoffen. Damit können Fortschritte bei der Beurteilung von Fertigungsprozessen hinsichtlich der Bildung von Eigenspannungen und insbesondere im Bereich der Qualitätskontrolle erzielt werden.
Aktualisiert: 2022-07-28
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Die Batterietechnologie ist aus der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken. Sie entwickelt sich ebenso schnell weiter wie ihre Einsatzgebiete. Für alle neuen Batterietechnologien werden als wichtigste Eigenschaften und Herausforderungen in der Regel die Sicherheit, die Leistungs- und Energiedichte, die Lebensdauer und der Preis diskutiert.
Häufig vernachlässigtwird dabei jedoch die Produzierbarkeit.
In dieser Arbeit werden skalier- und industrialisierbare Prozessketten zur Herstellung von neuartigen und festkörperbasierten Lithiumbatterien entwickelt. Es werden Möglichkeiten zur prozessinduzierten Separator- und Elektrodenstrukturierung untersucht und aufgezeigt. Durch deren Anwendung lassen sich für diese Batteriesysteme optimierte elektro-chemische Energie- und Leistungseigenschaften erreichen. Die Erkenntnisse werden in Modellen, Methoden und Produktionsprozessen zusammengefasst, um eine Übertragbar-keit auf weitere Batteriesysteme zu ermöglichen. Diese Arbeit legt somit weitere Grund-steine für die disruptive Entwicklung der Batterietechnologie in Hinblick auf die erwähnten Herausforderungen und erweitert diese um die oft vernachlässigte Eigenschaft der Produzierbarkeit.
Aktualisiert: 2022-10-06
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Die Batterietechnologie ist aus der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken. Sie entwickelt sich ebenso schnell weiter wie ihre Einsatzgebiete. Für alle neuen Batterietechnologien werden als wichtigste Eigenschaften und Herausforderungen in der Regel die Sicherheit, die Leistungs- und Energiedichte, die Lebensdauer und der Preis diskutiert.
Häufig vernachlässigtwird dabei jedoch die Produzierbarkeit.
In dieser Arbeit werden skalier- und industrialisierbare Prozessketten zur Herstellung von neuartigen und festkörperbasierten Lithiumbatterien entwickelt. Es werden Möglichkeiten zur prozessinduzierten Separator- und Elektrodenstrukturierung untersucht und aufgezeigt. Durch deren Anwendung lassen sich für diese Batteriesysteme optimierte elektro-chemische Energie- und Leistungseigenschaften erreichen. Die Erkenntnisse werden in Modellen, Methoden und Produktionsprozessen zusammengefasst, um eine Übertragbar-keit auf weitere Batteriesysteme zu ermöglichen. Diese Arbeit legt somit weitere Grund-steine für die disruptive Entwicklung der Batterietechnologie in Hinblick auf die erwähnten Herausforderungen und erweitert diese um die oft vernachlässigte Eigenschaft der Produzierbarkeit.
Aktualisiert: 2022-10-06
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Ziel dieser Arbeit war die systematische Untersuchung des Einflusses der dispersen Eigenschaften einer Suspension auf die Eigenschaften der daraus hergestellten nanopartikulären Beschichtung. Beispielhaft wurde ein Laborprozess betrachtet, in dem ausschließlich aus Nanopartikeln bestehende Schichten durch Tauchbeschichtung hergestellt wurden. Dabei wurde der Einfluss der Kristallit-, der Primärpartikel-, der Agglomeratgröße, der Breite der Partikelgrößenverteilung, des Herstell- und Dispergierprozesses, der Aggregatstruktur und der Stabilität der Suspension auf den dispersen Zustand der Suspension und dessen Effekt auf die Schichteigenschaften untersucht. Eingesetzt wurden Aluminiumoxid- und Titandioxidpartikel aus der Pyrolyse, der Echtzerkleinerung, der Fällung und der nicht-wässrigen Sol-Gel-Synthese. Besonderes Augenmerk lag auf der Schichtdicke, der Rauheit, den mikromechanischen Eigenschaften, dem Glanz und der Transparenz als optische Eigenschaften und der Haftung, der Abriebbeständigkeit, der photokatalytischen Aktivität, der Transparenz und der Benetzbarkeit als anwendungstechnische Eigenschaften. Abschließend wurde die Relevanz dieser Einflüsse für industrielle Anwendungen geprüft. Entlang der Prozesskette, von der Partikelherstellung über die Dispergierung und Stabilisierung, die Verarbeitung und die Filmbildung bis hin zu den resultierenden Produkteigenschaften wurden verschiedene Zusammenhänge gefunden und - sofern möglich - miteinander korreliert. Die untersuchten Suspensionseigenschaften haben einen signifikanten Einfluss auf die Beschichtungseigenschaften. Es konnte gezeigt werden, dass mit einer Änderung einer Suspensionseigenschaft häufig mehrere Beschichtungseigenschaften verändert werden. Oftmals müssen Kompromisse geschlossen werden. Eine Schicht mit bestimmten funktionalen Eigenschaften herzustellen ist daher eine Optimierungsaufgabe.
Aktualisiert: 2019-08-12
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Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Umsetzung der Elektromobilität und der Energiewende sind hochentwickelte Speichertechnologien. Unter den Batteriespeichern dominieren die Lithium-Ionen Batterien. Entscheidend für die Batterieperformance sind insbesondere die Eigenschaften der verwendeten Elektroden. Nur durch das tiefe Verständnis der Elektroden-Fertigungsprozesse kann das volle elektrochemische Potential der Batteriematerialien
ausgeschöpft werden.
Die hier vorgestellte Arbeit umfasst zwei Schwerpunkte, die beide auf das Verständnis des Zusammenspiels zwischen Struktur und Elektroden- bzw. Zelleigenschaften abzielen. Zunächst wird auf die gezielte Steuerung der Elektrodenstruktur durch den Suspensionstrocknungsprozess eingegangen, bevor anschließend die gerichtete Strukturierung durch den Aufbau mehrschichtiger Kathoden betrachtet wird.
Bei der Trocknung von Anodensuspensionen zeigt sich, dass es in Abhängigkeit der Trocknungsbedingungen zu einer inhomogenen Entmischung, vornehmlich der Binder- und Rußkomponenten, kommt. Es wird eine Kenngröße definiert und ein Grenzwert ermittelt dessen Unterschreitung die detektierbare Entmischung verhindert.
Im Bereich der mehrschichtigen Kathoden wird gezeigt, dass die Aufbringung einer kohlenstoffbasierten Unterschicht zwischen Substrat und aktivmaterialhaltiger Beschichtung zur Verbesserung der elektrischen Kontaktierung beiträgt und sich Gradientenstrukturen zur deutlichen Steigerungder Entladekapazität eignen.
Aktualisiert: 2021-03-31
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Zur Realisierung einer wirtschaftlichen Elektromobilität mit wettbewerbsüberlegener
Wertschöpfung ist die Beherrschung der Batteriezellproduktion unabdingbar. Kosten- strukturen und
Funktionseigenschaften der Zellen wie Reichweite, Schnellladefähigkeit und Lebensdauer sind
maßgeblich durch die Fertigungsprozesse und die darüber gezielt einzustellende Mikrostruktur der
Elektroden bestimmt. In diesem Kontext liefert die vor- liegende Arbeit ein tiefgreifendes Prozess-
und Produktverständnis mit Fokus auf die Kalandrierung als den abschließenden und
strukturbestimmenden Prozessschritt der Elektrodenproduktion.
Im Rahmen systematischer Studien zu Verdichtungsparametern im Zusammenhang mit den eingesetzten
Leitadditiven und der gezielten Einstellung der Leitrußstruktur über unterschiedliche
Mischertypen bzw. Mischintensitäten werden Prozess- wechselwirkungen von Dispergierung und
Kalandrierung im Rahmen von
Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen untersucht, um Grundlagen zur Prädiktion des Einflusses
der Kalandrierung auf strukturelle und elektroche- mische Performanceeigenschaften der Elektroden
zu legen. Hierzu werden Methoden zur Analyse mechanischer, struktureller und elektrischer Eigen-
schaften auf Pulver-, Suspensions- und Elektrodenebene entwickelt und eta-
bliert sowie ausgewählte Modelle geschaffen.
Aktualisiert: 2021-03-31
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Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Umsetzung der Elektromobilität und der Energiewende sind hochentwickelte Speichertechnologien. Unter den Batteriespeichern dominieren die Lithium-Ionen Batterien. Entscheidend für die Batterieperformance sind insbesondere die Eigenschaften der verwendeten Elektroden. Nur durch das tiefe Verständnis der Elektroden-Fertigungsprozesse kann das volle elektrochemische Potential der Batteriematerialien
ausgeschöpft werden.
Die hier vorgestellte Arbeit umfasst zwei Schwerpunkte, die beide auf das Verständnis des Zusammenspiels zwischen Struktur und Elektroden- bzw. Zelleigenschaften abzielen. Zunächst wird auf die gezielte Steuerung der Elektrodenstruktur durch den Suspensionstrocknungsprozess eingegangen, bevor anschließend die gerichtete Strukturierung durch den Aufbau mehrschichtiger Kathoden betrachtet wird.
Bei der Trocknung von Anodensuspensionen zeigt sich, dass es in Abhängigkeit der Trocknungsbedingungen zu einer inhomogenen Entmischung, vornehmlich der Binder- und Rußkomponenten, kommt. Es wird eine Kenngröße definiert und ein Grenzwert ermittelt dessen Unterschreitung die detektierbare Entmischung verhindert.
Im Bereich der mehrschichtigen Kathoden wird gezeigt, dass die Aufbringung einer kohlenstoffbasierten Unterschicht zwischen Substrat und aktivmaterialhaltiger Beschichtung zur Verbesserung der elektrischen Kontaktierung beiträgt und sich Gradientenstrukturen zur deutlichen Steigerungder Entladekapazität eignen.
Aktualisiert: 2021-03-31
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Zur Realisierung einer wirtschaftlichen Elektromobilität mit wettbewerbsüberlegener Wertschöpfung ist die Beherrschung der Batteriezellproduktion unabdingbar. Kostenstrukturen und Funktionseigenschaften der Zellen wie Reichweite, Schnellladefähigkeit und Lebensdauer sind maßgeblich durch die Fertigungsprozesse und die darüber gezielt einzustellende Mikrostruktur der Elektroden bestimmt. In diesem Kontext liefert die vorliegende Arbeit ein tiefgreifendes Prozess- und Produktverständnis mit Fokus auf die Kalandrierung als den abschließenden und strukturbestimmenden Prozessschritt der Elektrodenproduktion.
Im Rahmen systematischer Studien zu Verdichtungsparametern im Zusammenhang mit den eingesetzten Leitadditiven und der gezielten Einstellung der Leitrußstruktur über unterschiedliche Mischertypen bzw. Mischintensitäten werden Prozesswechselwirkungen von Dispergierung und Kalandrierung im Rahmen von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen untersucht, um Grundlagen zur Prädiktion des Einflusses der Kalandrierung auf strukturelle und elektrochemische Performanceeigenschaften der Elektroden zu legen. Hierzu werden Methoden zur Analyse mechanischer, struktureller und elektrischer Eigenschaften auf Pulver-, Suspensions- und Elektrodenebene entwickelt und etabliert sowie ausgewählte Modelle geschaffen.
Aktualisiert: 2021-03-31
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