Für die Anwendung von Beschichtungen im Allgemeinen ist deren Haftung von essentieller Bedeutung. Die Schichthaftung von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (DLC; diamond-like carbon) mit einer leicht durchführbaren und kostengünstigen Methode zu verbessern, ist das vorrangige Ziel der vorliegenden Arbeit. Im Speziellen wurde dabei auf Stahloberflächen das Mikrostrahlen mit Wolframkarbid in Kombination mit einem Nassstrahlverfahren angewandt, um die Haftung von wasserstoffhaltigen DLC-Schichten (a-C:H) durch eine Strukturierung der Stahloberfläche zu verbessern. Neben der intensiven Analyse der durch die Strahlmethoden erzeugten Oberflächenzustände, wurden die Schichthaftung sowie das tribologische Verhalten der resultierenden, strukturierten Schichten untersucht.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Additive Fertigungsverfahren halten in den letzten Jahren zunehmend Einzug in die Industrie, da sie es den Unternehmen unter anderem ermöglichen, Bauteile in beliebiger Komplexität und der Qualität von Endprodukten zu fertigen. Unter den zahlreichen Verfahren haben sich vor allem die Stereolithografie, das Selektive Laser-Sintern sowie das weltweit meistgenutzte Fused Layer Modeling (FLM) auf dem Markt etabliert. Prozessbedingt bestehen FLM-Bauteile aus vielen einzelnen Filamentbahnen, was dazu führt, dass sie nicht die gleichen mechanischen Eigenschaften aufweisen wie das Grundmaterial, aus dem sie bestehen. Aus diesem Grund ist eine sichere Auslegung und Dimensionierung derartiger Bauteile für bestimmten Einsatzzwecke nicht auf der Grundlage von Materialkenndaten möglich, wie es beispielsweise bei klassisch gefertigten Teilen der Fall ist.
Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, ein Modell zu entwickeln, mit dem sich dieses Problem überwinden lässt. Das Modell basiert hauptsächlich auf der Diffusionstheorie und geht von der Annahme aus, dass einzelne Molekülketten über die Grenzfläche zwischen zwei angrenzenden Filamentbahnen diffundieren und dadurch eine Fügeverbindung erzeugen. Mit dem Modell soll es möglich sein, die Festigkeit dieser Verbindung vorherzusagen, sodass daraus die mechanischen Eigenschaften eines FLM-Bauteils abgeleitet werden können. Da die Diffusionprozesse stark von der Temperatur in der Grenzfläche zwischen den Filamentbahnen abhängen, besteht ein wesentlicher Teil dieser Arbeit in der Entwicklung eines weiteren Modells, mit dem diese Temperatur bestimmt werden kann.
Aktualisiert: 2021-05-06
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Die vorliegende Arbeit beschreibt zwei Wärmebehandlungsverfahren um eine Oberfächenmodifikation der Zirconiumlegierung ZrNb7 zu erzielen. Dadurch ist es möglich, die Sauerstoffdiffusionszone unterhalb der Oxidschicht erheblich zu vergrößern. Dabei handelt es sich zum einen um eine dreistufige Wärmebehandlung, bei der nach der ersten Oxidation die Oxidschicht in einem Reduktionsschritt wieder aufgelöst wird. Sauerstoff wird im metallischen Gefüge gelöst und bildet eine dicke Sauerstoffdiffusionszone aus. Im letzten Schritt wird die Oberfläche erneut oxidiert, wobei ein Teil der Sauerstoffdiffusionszone erhalten bleibt. Eine weitere Wärmebehandlungsmethode verringert die Oxidationsgeschwindigkeit von ZrNb7 durch das Absenken des Sauerstoffpartialdrucks derart, dass während der Oxidation genügend Sauerstoff in das Metall diffundieren kann, um eine ausreichend dicke Sauerstoffdiffusionszone auszubilden. Diese Wärmebehandlungsverfahren führen zu einer deutlich besseren Anbindung der keramischen Deckschicht an das metallische Substrat.
Ein wichtiger Unterschied der beiden Oxide ist in der Morphologie zu erkennen. Das weiße Oxid zeigt viele feine Mikrorisse in der gesamten Schicht, die aufgrund der hohen Druck- und Zugspannungen beim Aufwachsen entstehen. Sauerstoffleerstellen im schwarzen Oxid wirken wie elastische Puffer, die die Druck- und Zugspannungen beim Aufwachsen ausgleichen können und damit zu einer dichteren und weniger rissbehafteten Oxidschicht führen. Sowohl beim Kalottenverschleiß, als auch am Kniegelenksprüfstand zeigt das dichte, schwarze Oxid deutlich bessere Verschleißeigenschaften als das rissbehaftete, weiße Oxid. Damit eignet sich die Oxidation bei geringem Sauerstoffpartialdruck besonders, um Oxidschichten für tribologische Anwendungen zu erzeugen.
Aktualisiert: 2020-07-23
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Additive Manufacturing Processes are commonly used to generate prototypes in industrial environments. One such process is the 2½-dimensional Fused Layer Manufacturing (FLM) ptototyping process. The FLM uses thermoplastic filaments to create physical parts for initial investigations and inspections. However, the current FLM process is not capable of producing functional prototypes due to the weak interlayer cohesion of the parts. The weakness of the internal structure is due to the marginal interlaminar bonding of each layer to the top layer which is additionally overlapped by continiously generated notches inside the structure of the parts.
By using an enhanced low-cost FLM-device (at a cost of typically 1.000 €) with open build space and open-source software, it is possible to create a significant interlayer-bonding improvement. If the surface of the part is exposed to a higher temperature at the moment of joining, either by focused infrared radiation or the use of hot air, then the overall layer cohesion is significantly increased. The enhanced layer cohesion due to molecular entanglements can be quantified by impact-testing the parts according to the Charpy method, and the the optical appearance of the fracture surface is changed due to crazing. The improvement of the interlayer bonding is represented by the increase of impact energy. By optical microscopy it can be shown that layer cohesion is increased by use of the methodically developped process enhancements.
Identical test specimen were manufactured using a high-end FLM device (investment cost of the order of 15.000 €) with a build-chamber temperature of 75 °C, and were tested under similar conditions. The results here showed comparable interlayer-bonding as obtained by the low-cost FLM device, thus validating the improved deposition process developed for producing functional prototypes with a low-cost FLM device.
Aktualisiert: 2022-09-30
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Für die Anwendung von Beschichtungen im Allgemeinen ist deren Haftung von essentieller Bedeutung. Die Schichthaftung von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (DLC; diamond-like carbon) mit einer leicht durchführbaren und kostengünstigen Methode zu verbessern, ist das vorrangige Ziel der vorliegenden Arbeit. Im Speziellen wurde dabei auf Stahloberflächen das Mikrostrahlen mit Wolframkarbid in Kombination mit einem Nassstrahlverfahren angewandt, um die Haftung von wasserstoffhaltigen DLC-Schichten (a-C:H) durch eine Strukturierung der Stahloberfläche zu verbessern. Neben der intensiven Analyse der durch die Strahlmethoden erzeugten Oberflächenzustände, wurden die Schichthaftung sowie das tribologische Verhalten der resultierenden, strukturierten Schichten untersucht.
Aktualisiert: 2023-03-31
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