Vapour Phase Soldering beschreibt ein Lötverfahren, das mit dem überhitzten Dampf eines Wärmeübertragungs-Mediums arbeitet. Hierbei wird die zu lötende zweidimensionale Platine in eine Dampfdecke eingefahren, die eine Temperatur von ca. 230 °C besitzt. Der Dampf kondensiert und gibt die Wärmeenergie an die Bauteile ab. Prinzipbedingt können sich die Platine und die empfindlichen elektronischen Bauteile nicht über diese 230 °C erwärmen – deswegen gilt sie als besonders schonende Methode.

Durch die Erweiterung dieser Technik ist es möglich, das bauteilschonende Verfahren auch auf dreidimensionale Strukturen anzuwenden. Diese treten vor allem im Bereich von Molded Interconnect Devices (MID) auf. Durch eine genaue Kontrolle und die geringe Löttemperatur des Vapour-Phase-Soldering-Prozesses können neue Materialien verwendet werden. Eine weitere Verbesserung ist das selektive Vapour Phase Soldering. Hiermit wird möglich, dass einzelne Teilbereiche gelötet werden können.

Um diese Erweiterungen zu erreichen, wurden mehrere Um- und Anbauten einer bestehenden VPS-Maschine notwendig. Neben einer grundlegend neuen Steuerung wurden verschiedene Verfahren erarbeitet, die eine gezielte Beeinflussung des Temperaturgradienten auf einer Platine erlauben. In experimentellen Versuchsreihen wurde das Prozessverhalten bezüglich auftretender Temperaturschwankungen sowie prozessbestimmender Parameter analysiert und optimiert.

Die Forschung im Bereich der Dampfphasensteuerungssysteme sowie die weiterentwickelten Verfahren führten zum gewünschten Erfolg dieses Forschungsprojekts. Es ist nun möglich, auf Platinen mittels Dampfphase gezielt einzelne defekte Bausteine zu entfernen und sie durch neue zu ersetzen.

Im Fokus der Entwicklung standen Prototypen aus transparenten Werkstoffen, deren Anwendung im Bereich der Medizintechnik liegen, sowie die Erzeugung von Windschutzscheiben im automotiven Umfeld und Flugzeugbau. Der wesentliche Vorteil des verwendeten Verfahrens liegt im kompletten Verzicht auf den Einsatz eines statischen Werkzeugs.

Herzstück der Anlage zur Formung der Werkstücke sind einzeln anzusteuernde Stempel, die eine theoretische Realisierung beliebig geformter Flächen ermöglichen. Die Schwerpunkte des Projekts waren die Entwicklung eines geeigneten Verfahrens zur Umformung von Scheibenmaterialien ohne Einsatz von statischen Werkzeugen, das Erzielen einer hohen Wiederholgenauigkeit bei mehrmaliger Verwendung der gleichen Werkstückformen, die Entwicklung und Anfertigung verschiedener Stempelformen zur Krafteinbringung auf das erwärmte Werkstück und die Fertigung einer Anlage zur Umformung der Ausgangswerkstücke.

Die technische Herausforderung ergab sich vor allem aus der für den Formungsprozess benötigten Werkstücktemperatur und dem damit verbundenen Fließen des Werkstoffes. Wenngleich aktuell noch kein abschließendes Ergebnis erzielt worden ist, zeigt die Anlage doch das enorme Potenzial und die Vorteile des eingesetzten Verfahrens. Die nachfolgenden Aufwände müssen daher der eingesetzten Stempelform sowie der genauen Einstellung der Prozesstemperatur dienen.

Um kostengünstige, komplexe Strukturen zu fertigen, muss die gesamte Prozesskette hinsichtlich Fertigungskosten, -zeit und -qualität optimiert werden. Daher gilt es, das Potenzial für die Senkung der Materialkosten bei der Pulverherstellung zu identifizieren. Hierbei wird die Pulverherstellung in drei Verfahren eingeteilt: gasverdüst, plasmaverdüst, HDH. Ziel des Forschungsvorhabens war es, die bestmögliche Methode für die additive Fertigung ausfindig zu machen.

Das Forschungsprojekt wurde in drei Phasen gegliedert. Die erste Phase bildete die Herstellung und Charakterisierung von Titan-Pulvern. In der zweiten Phase wurden Probekörper additiv gefertigt. Hierbei wurden die Prozessparameter für jede Pulversorte so variiert, dass eine minimale Restporosität im Bauteil resultierte. Die dritte Phase bildete die multikriterielle Bewertung, die neben den technischen Punkten auch wirtschaftliche Komponenten berücksichtigte.

Es konnte gezeigt werden, dass sich die untersuchten Herstellverfahren in drei Preis- und Qualitätsklassen einordnen lassen. Das plasmaverdüste Pulver zeigte eine sehr hohe Qualität bei sehr hohen Herstellkosten. Das im HDH-Verfahren hergestellte Material ist kostenseitig sehr lukrativ, jedoch auf Grund der Kornform nicht für die additive Fertigung geeignet. Die Alternative zu den beiden Verfahren bildet das gasverdüste Pulver. Es besitzt eine ausreichende Qualität für die additive Fertigung und ist günstiger als das plasmaverdüste Pulver.

Im Forschungsvorhaben wurden die Technologien Envelope Tracking und Envelope Switching zur Effizienzssteigerung von HF-Leistungsverstärkern erforscht und entwickelt. Beim Envelope Tracking wird die Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers der tatsächlich benötigten Momentausgangsleistung nachgeführt. Das Verfahren stellt jedoch bei breitbandigen Funksignalen extreme Anforderungen an das Netzteil. Dagegen stellt der einfachere Ansatz des Envelope Switchings dem Leistungsverstärker lediglich zwei unterschiedliche Betriebsspannungsniveaus zur Verfügung, zwischen denen in Abhängigkeit von der benötigten Momentausgangsleistung geschaltet wird. Dadurch arbeitet der Verstärker in effizienten Betriebsmodi sowohl für hohe als auch niedrige Ausgangsleistungen.

Um die beiden Verfahren und Netzteilkonzepte untersuchen zu können, wurden zwei Verstärker entwickelt bzw. bereitgestellt, die beide auf moderner GaN-Transistor-Technologie basieren. Diese Technologie ermöglicht wegen einer höheren Leistungsdichte und Versorgungspannung einen höheren Wirkungsgrad. Um auch bei einer Anwendung von Envelope Tracking und Envelope Switching das Signal störungsarm übertragen zu können, wurden die Eigenschaften beider Verstärker durch ein Linearisierungsverfahren verbessert. 

Beim Verstärker für schmalbandigen UHF-Funk wurde durch Envelope Tracking eine Steigerung des Wirkungsgrads um mehr als 30 % erzielt, beim Mobilfunkverstärker waren es immerhin noch bis zu 25 %. Allerdings nahm der Effizienzgewinn bei höheren Signalbandbreiten merklich ab. Die Ergebnisse bei Envelope Switching sind vielversprechend, konnten jedoch im Rahmen dieses Projekts nicht abschließend untersucht werden. Hier ergaben sich insbesondere Herausforderungen an die Signalerzeugung und Linearisierung.

Die Lebensqualität von Menschen mit chronischen Bewegungserkrankungen wie Morbus Parkinson ist deutlich eingeschränkt, da mit der Mobilität auch die Autonomie betroffen ist. Die Diagnostik solcher Bewegungserkrankungen beruht auf der klinischen Untersuchung durch den Arzt. Es handelt es sich somit um eine rein subjektive Einschätzung, abhängig von der Erfahrung des Behandelnden. Entsprechend unterschiedlich kann die Beurteilung durch verschiedene Ärzte ausfallen.

Im Forschungsprojekt eGaIT wurde ein System entwickelt, das mit Hilfe von objektiven und damit vom Untersucher unabhängigen Gangparametern die Einschätzung der Bewegungseinschränkungen eines Patienten und daraus resultierende Therapieentscheidungen komplementär zur Untersuchung durch den Arzt unterstützt.

Inertialsensoren zeichnen während standardisierter Tests das Gangbild am Schuh eines Patienten auf. Mittels Signalanalyse- und Mustererkennungsverfahren werden daraus Parameter wie Schrittlänge, -geschwindigkeit, Abrollwinkel, Fuß-Boden-Freiheit etc. berechnet. Über eine sichere Online-Plattform werden die erhobenen Daten datenschutzkonform zusammengeführt und dem Therapeuten zur Auswertung zur Verfügung gestellt.

Das System zur sensorbasierten Ganganalyse ist in der Lage, den menschlichen Gang automatisiert und mobil zu untersuchen. Es unterscheidet Parkinson-Patienten von gesunden Kontrollgruppen und klassifiziert die verschiedenen Stadien- und den Verlauf dieser Erkrankung.

Durch die Berechnung objektiver Parameter können

a) Veränderungen im Krankheitsverlauf besser erfasst,

b) die Therapie optimal angepasst und

c) der langfristige Therapieerfolg objektiv überwacht und bewertet werden.

Das System eignet sich damit zur Unterstützung einer medikamentenösen Einstellung. Der Patient gewinnt dadurch früher an Lebensqualität (zurück).

Die Effizienz eines elektrostatischen Wechselstromgenerators wird maßgeblich durch Permittivitätszahl und elektrische Durchschlagsfestigkeit der verwendeten Isoliermaterialien bestimmt. Bestehende Lösungen nutzen hierzu flüssige oder gasförmige Medien bei hohem Druck. Da dies hohen Konstruktions- und Wartungsaufwand erfordert, bekommen diese heute nur noch geringe Aufmerksamkeit. Deshalb wurden im Forschungsprojekt Keramiken als Dielektrikum zwischen Rotor und Stator anstelle von Flüssigkeiten und Gasen eingesetzt.

Verschiedene Funktionsmuster des Generators wurden aufgebaut und charakterisiert. Zudem wurden neuartige, hochfeste keramische Werkstoffe mit hoher Permittivitätszahl und Durchschlagfestigkeit entwickelt. An Stelle des hohen Drucks wurde zur weiteren Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit ein sehr kleiner Luftspalt von 5 bis 50 µm mittels aerodynamischer Lager eingebaut. Ergänzend zur Entwicklung des Luftlagers wurden die Funktionsmuster an der Technischen Universität München, vertreten durch das Fachgebiet „Mikrostrukturierte mechatronische Systeme“, charakterisiert und erprobt.



Mit Hilfe einer externen Gleichspannungsquelle wurden die auf den beiden kreisrunden Keramikscheiben aufgebrachten Kondensatorplatten elektrisch ge- und entladen. Dabei wurde eine der Scheiben extern angetrieben gedreht, wodurch sich die resultierende Kapazität periodisch änderte und ein entsprechender Stromfluss generiert wurde. Ergebnis: Die Wirkungsgrade, die mit den Labormustern erzielt werden konnten, befanden sich auf dem erwarteten Niveau.

Die Dosierung kleinster Fluidmengen unter Verwendung des Drop-on-Demand-Verfahrens ist nicht nur in Anwendungen wie z.B. dem Grafikdruck von Bedeutung, sondern bietet auch Ansätze, für die Entwicklung völlig neuer Technologien. So spielen zum Beispiel im ­Mikro-3-D-Druck Medien wie Lösemittel oder in der Medizintechnik Flüssigkeiten, die mit Partikeln versetzt sind, eine wichtige Rolle. Hierbei ist die Reproduzierbarkeit der erzielten Tropfeneigenschaften essenziell. Von steigender Bedeutung sind Tropfenerzeuger, die eine Anpassung an unterschiedliche Fluide erlauben. Es ist daher wichtig, die Tropfenbildung in einem vorhersagbaren Prozess durchzuführen, in dem die Tropfenmassen, -volumen und Massenströme exakt eingestellt werden können.

Im Verlauf des Forschungsprojekts wurden dazu ein Referenzdesign, ein adaptierbares Testfluid und eine Softwareumgebung für die automatische Dimensionierung entwickelt. Das Referenzdesign wird auf einem Siliziumchip realisiert. Die Kanäle und Kammern für die Flüssigkeitsführung werden durch Laserablation eingearbeitet. Die Düse, durch die später der Tropfenausstoß stattfindet, wird durch ein Mikroschleifverfahren aus der Halbleitertechnik das hohen Anforderungen an die Oberflächengüte genügt, hergestellt. Die fluidführenden Strukturen werden durch eine dünne Glasmembran verschlossen. Die Verbindung erfolgt Klebstofffrei durch anodisches Bonden, ein Verbindungsverfahren für Silizium und Boro­silikatglas. Auf die so entstandene Pumpkammer wird abschließend die Piezokeramik aufgeklebt. Nach der elektrischen Kontaktierung kann durch Anlegen einer Spannung eine Volumenänderung der Pumpkammer erzielt werden, die den Tropfenausstoß hervorruft.

Um den Einfluss der Flüssigkeitseigenschaften zu ermitteln, wurde ein Modelfluid, bei dem es sich um ein tertiäres Gemisch von Wasser, Isopropanol und Glycerin handelt, entwickelt. Durch Variation der Stoffmengenanteile können hierbei die Eigenschaften Viskosität und Oberflächenspannung in einem weiten Bereich unabhängig voneinander eingestellt werden. Die entwickelte Auslegungssoftware nimmt für die Berechnung Zielparameter der Anwendung über die Benutzerschnittstelle entgegen. Dabei stehen die Eigenschaften des Arbeitsfluids sowie die gewünschten Tropfeneigenschaften wie Größe und Geschwindigkeit im Vordergrund. Die durchgeführte Validierung des Modelles zeigt, dass eine gute Übereinstimmung mit der Realität erzielt wird. Hierdurch konnte der Nutzen für praktische Anwendungen belegt werden.

In diesem Projekt wurde das Potenzial der Absenkung von Rußpartikel- und CO2-Emissionen bei Dieselmotoren durch Beimischung sauerstoffhaltiger Brennstoffe (Oxygenate) zum Dieselkraftstoff untersucht. Eine besondere Rolle spielte hierbei die Suche nach alternativen Zusätzen neben Biodiesel, um beste Kraftstoffqualität und höchstes CO2-Verminderungspotenzial zu erhalten.

Ein ausgeprägter Zusammenhang zwischen Molekülstruktur und Zündwilligkeit von Oxygenaten wurde durch Vermessung einer großen Anzahl von Kraftstoffmischungen und reinen Oxygenaten aufgezeigt. Hierbei leistete die Entwicklung eines neuen Laborgeräts zur Cetanzahlbestimmung im Rahmen dieses Projekts maßgebliche Hilfe. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die Rußpartikelemission mit der Ausnahme von Dimethoxymethan nur wenig von der Molekülstruktur der Oxygenatzusätze beeinflusst wird. Maßgebend war hier der Sauerstoffgehalt. Widersprüchliche Literaturangaben zur Wirkung von Oxygenaten wurden durch den erstmaligen, systematischen Einsatz eines kontinuierlichen Rußpartikelmessgeräts geklärt.

Als Versuchsträger für dieses Screening diente ein Heavy-Duty Einzylindermotor. Ausgewählte Kraftstoffe wurden an einem vergleichbaren Sechszylindermotor vermessen. Steigender Sauerstoffgehalt im Kraftstoff wirkte sich senkend auf die Rußemissionen aus. Dabei wurde ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen dem Sauerstoffgehalt und der Rußreduktion ermittelt. Bei 11 % Sauerstoffanteil sank die Rußmasse bereits um ca. 70 %, während die NOx-Emissionen durch innermotorische Maßnahmen konstant gehalten wurden. Ein Kraftstoff mit 30 % Sauerstoffgehalt zeigte kaum noch nachweisbare Rußemissionen, und bei ca. 40 % Sauerstoffgehalt konnte der Dieselmotor sogar ohne Sauerstoffüberschuss rußfrei betrieben werden.

Die Kaltmassivumformung ermöglicht die werkstoff- und energiesparende Herstellung mechanisch belastbarer und präziser Bauteile hoher Oberflächengüte. Aufgrund der ausgeprägten Werkzeugbeanspruchung kommen in der Kaltmassivumformung häufig Schnellarbeitsstähle und Hartmetalle als Werkzeugwerkstoff zum Einsatz. Diese Werkstoffklassen sind infolge ihrer hohen Sprödigkeit ermüdungsgefährdet. Einfluss auf das Ermüdungsverhalten besitzt die Werkzeugoberfläche. Komplexe Werkzeuggeometrien werden ausgehend von einem Rohling üblicherweise mittels Senkerodieren hartbearbeitet. Die aus dem Erodierprozess resultierende thermisch beeinflusste Randzone wird in der industriellen Praxis in der Regel durch einen kostenintensiven Poliervorgang entfernt. Zur Reduzierung des Polieraufwands sind alternative Nachbearbeitungsverfahren einsetzbar, die Eigenschaftsverbesserungen der erodierten Oberfläche bewirken.

Das Ermüdungsverhalten von Werkzeugen aus Hartmetall und Schnellarbeitsstahl in Abhängigkeit der Oberflächenbeschaffenheit wurde bislang nur unzureichend untersucht. Im Forschungsvorhaben wurde daher der Einfluss der Oberflächenendbearbeitung auf das Ermüdungsverhalten von Umformwerkzeugen analysiert und quantifiziert. In Umlaufbiegeversuchen unter Laborbedingungen wurden deutliche Festigkeitssteigerungen bei Substitution der konventionellen Polierbearbeitung durch einen Strahlprozess nachgewiesen. Die erhöhte Beanspruchbarkeit ist auf die höheren oberflächennahen Druckeigenspannungen zurückzuführen, welche durch den Strahlprozess in die Werkzeugoberfläche eingebracht werden. Der festigkeitssteigernde Einfluss der Strahlbearbeitung wurde sowohl für die Hartmetallsorte G55 als auch den pulvermetallurgischen Schnellarbeitsstahl Vanadis 30 festgestellt.

In einer Röntgenröhre werden Elektronen im Vakuum aus einer Kathode mittels Hochspannung auf eine Anode beschleunigt, wodurch Röntgenstrahlung erzeugt wird. In derzeit kommerziell erhältlichen Systemen werden die Elektronen in aller Regel durch Glühemission freigesetzt. Doch die Erzeugung der Elektronen kann auch durch kalte Feldemission erfolgen. Hierzu wird Hochspannung an Spitzen mit sehr kleinem Krümmungsradius (wenige nm) angelegt, was zu großen elektrischen Feldstärken am Ort der Spitzen führt (einige GV/m). Dadurch werden Elektronen ohne zusätzliche Heizung aus dem Material freigesetzt. Dieser Prozess bietet gegenüber der Glühemission einige Vorteile, da er sehr effizient ist und schnell an- und wieder abgeschaltet werden kann, wodurch sich die Lebensdauer des Emitters verlängert.

Im Rahmen des Projekts FEXRay wurde solch ein Feldemitter auf Basis von Siliziumspitzen hergestellt und charakterisiert. Silizium als Ausgangsmaterial bietet zusätzlich Kostenvorteile und ermöglicht die monolithische Integration mit einem Röntgendetektor. Herausforderung ist allerdings, eine zeitlich stabile Elektronenemission zu erreichen. Der erarbeitete Herstellungsprozess erlaubt die Realisierung von Silizium-Feldemitterspitzen mit einer Höhe von etwa 1 µm und den nötigen Spitzenradien im nm-Bereich (siehe Abb.). Durch die Säulenstruktur wurde bei p-dotiertem Silizium eine sehr gute Stabilität mit Stromschwankungen von lediglich ±2 % erreicht. Zudem konnte gezeigt werden, dass der Betrieb der Emitter bei einem Betriebsdruck von 10─6 mbar möglich ist, wodurch derartige Feldemitter in einer Röntgenröhre als Elektronenquelle Anwendung finden können.