Busse, Matthias
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Item type:Publication, Untersuchung zur Herstellbarkeit von Binder Jetting-Bauteilverbunden mittels Sinterfügen(2022-12-07); ; ; Aufgrund geringer Grünteilfestigkeiten beim gleichzeitigen Trend immer höherer Pulverbettdichten werden die Entpulverung interner Hohlstrukturen und somit mögliche Applikationen des Binder Jetting erschwert. Innerhalb der vorliegenden Arbeit wird als Ansatz zur Überwindung dieser Herausforderung untersucht, ob Bauteile geteilt und somit einfach zu entpulvern gedruckt und anschließend durch Sinterfügen wieder verbunden werden können. Dazu wird zuerst die entstehende Sinterfügeverbindung durch reinen Oberflächenkontakt quantifiziert. Es kann gezeigt werden, dass sich je nach Bauteilorientierung und Montagekraft ein maximales Kontaktverhältnis von 5-26\,\% ergibt. Hierbei kann die Oberflächenrauheit als Haupteinflussfaktor bestätigt werden. Zur Lösung dieser Kontaktproblematik und zur Erzeugung mechanisch stabiler und fluiddichter Sinterfügeverbindungen wird weiterhin eine Methodik zur Applikation von Pulverschichten auf Grünteile entwickelt um somit die Rauheit flexibel zu überbrücken. Die Untersuchung der Eignung von Pulverschichten für den Sinterfügeprozess erfolgt vollfaktoriell anhand von fünf Pulverfraktionen, mit denen vier unterschiedliche Schichthöhen zwischen zwei Bauteilen appliziert und diese so im Sintern gefügt werden. Dieser Bauteilverbund wird im Anschluss mechanisch charakterisiert. Hierbei kann festgestellt werden, dass mit den Pulverzwischenschichten unabhängig von der Partikelgrößenverteilung und Schichthöhe Anbindungen an die gedruckten Bauteile mit einer Verbindungsfestigkeit von 80-90\,\% der Referenzfestigkeit erzielt werden können. Es konnte insbesondere gezeigt werden, dass weder Partikelgröße noch Schichthöhe einen direkten Einfluss auf die Anbindung haben. Lediglich das Pulverfließverhalten beeinflusst durch ein Abrieseln des Pulvers aufgrund des gewählten Prozessdesigns die mechanischen Eigenschaften. Abschließend kann gezeigt werden, dass die entwickelte Methodik für den Einsatz konventionell nicht zu entpulvernder Geometrien anwendbar ist und es werden Prozess- sowie Konstruktionshinweise identifiziert.doctoral thesis659 527 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item type:Publication, Topologieoptimierter Verbund von Aluminium und Stahl zur lokalen Steifigkeitserhöhung von Druckgussbauteilen(2018-10-30); ; ; Under the premises of weight and stiffness a multiphase optimization is used to shape a longitudinal carrier in a hybrid aluminum - steel design. Goal is to retain the function despite reduced dimensions. Therefore a steel core is integrated via die casting to increase the bending stiffness. Compared to an aluminum design with reinforcing cast ribs, the simulation of the composite reaches the same stiffness without local rips. Under real tests the composite shows an enhancement in stiffness, however can't compare with the monolithic aluminum component. Main reason for that is the required jacketing and the thus thermally induced residual stresses in the cast matrix that leave the aluminum already plasticized. Under certain volume ratio a reinforcement can be achieved, however under an inferior relation between performance and weight compared to monolithic constructions. Therefore the implementation of such composite component has to be assessed under lightweight facets. The developments of the hybrid aluminum - steel longitudinal carrier provide a base for a new way of construction for cast parts that is able to cause a scalable reinforcement without increasing the part dimensions.doctoral thesis438 211 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item type:Publication, Grenzschichtverhalten von Polymerelektrolyten gegenüber Elektrodenmaterialien für zukünftige Hochenergie-Lithium-Ionen-Sekundärbatterien.(2022-08-03); ; ; Festkörperelektrolyte gelten als sichere Alternative zu den derzeit in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzten Flüssigelektrolyten. Obwohl die Eigenschaften vieler Festkörperelektrolyte umfangreich untersucht wurden, gibt es in der Literatur bisher kaum Berichte zu ihrem Grenzschichtverhalten an den Elektroden, das entscheidend für die Batteriesicherheit ist. Daher wurden in dieser Arbeit die Grenzschichtreaktionen von Polymerelektrolyten gegenüber potentiellen Elektroden für zukünftige Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte untersucht. Auf der Anodenseite wurde mit polymerem LiPON ein neuartiges Material entwickelt, dass ein vielversprechendes Ausgangsmaterial für den Aufbau stabiler, schützender Grenzschichten auf Lithiummetall darstellt. Auf der Kathodenseite hingegen konnten neue Elektrolyt- und Grenzschichtreaktionen identifiziert sowie die Bedeutung von Sauerstofffreisetzungen aus entladenem Kathodenmaterial auf die thermische Sicherheit von Polymerelektrolyten gezeigt werden. Die im Rahmen dieser Arbeit beschriebenen Grenzschichtreaktionen können in Zukunft verwendet werden, um die Sicherheit von Festkörperelektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.doctoral thesis277 353 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item type:Publication, Dry and thermal processing of PEO-based solid electrolytes for all solid-state batteries(2024-12-17); ; ; The growing world population and the resulting increase in energy demand, as well as the need to store energy, is an unstoppable process that science, industry, and politics need to address together. This means that new electrical energy storage systems must be developed, or existing ones need to be optimized to meet future energy needs. Next-generation energy storage systems, such as all solid-state batteries (ASSBs), have attracted increasing attention in recent decades due to their high energy and power density. The aim of this thesis is to investigate the relationship between the dry process of polymer-based SEs using melt extrusion and the material behavior with respect to the upscaling of polymer-based SEs. Therefore, a concept is developed from the investigation of small quantities using a laboratory kneader to the investigation of larger quantities in kilo-scale using a twin-screw extruder.doctoral thesis139 123 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item type:Publication, Herstellung und Charakterisierung von Siliziumnanostrukturen für Lithium-Ionen-Batterien(2018-04-06); ; ; For the use as anodes in lithium-ion batteries, silicon nanostructures were synthesized with three different methods and characterized. a-Si thin films were deposited on substrates of varying roughness with PECVD. Oxide-free porous and non-porous SiNW were synthesized with metal-assisted chemical etching and functionalized with acrylic acid. SiNW with different diameters were grown via CVD. The degradation mechanisms were investigated on the basis of the electrochemical characterization. a-Si thin films delaminated depending on roughness and film thickness that led to the temporary emergence of Li15Si4 and a reduced coulombic efficiency. Porous SiNW exhibited a reduced volume expansion and therefore a higher coulomb efficiency and reduced occurrence of Li15Si4. The grown SiNW showed little differences in their electrochemical behaviour. This is due to the drastic change in morphology from individual SiNW to a porous layerdoctoral thesis457 211 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item type:Publication, Modeling and Utilizing a Vanadium Redox Flow Battery for Easier Grid and Market Integration of Wind Power(2014-12-16); ; ; Power grid and market integration of wind energy is a challenge due to the fluctuating and intermittent power output resulting from the variable nature of wind resource. Energy storage is a promising alternative for effective grid integration of renewable energy. One storage technology which is under the spotlight in the recent years is the vanadium redox flow battery (VRFB) which could have certain advantages when utilized at large-scale grid connected applications. In this study, a megawatt scale VRFB was modeled based on experimental data with a kilowatt scale real life unit. The dependence of the overall system efficiency on the state of charge and power was determined. By using the model, optimal number of modules for certain power levels during charging and discharging operations were estimated for megawatt scale operations. In order to evaluate the power grid integration of wind power at a single wind farm level, a second simulation model which combines the megawatt scale VRFB model and a medium sized (10 MW) wind farm was developed and the battery was utilized to compensate for the deviations resulting from the forecast errors in an electricity market bidding structure. Using an existing electricity market model based on deviation penalties and penalty multipliers, economics of the system were evaluated by determining the payback periods for a dedicated VRFB installation at this medium sized, single wind farm level.doctoral thesis539 350 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item type:Publication, Atomistic modeling of the charge process and optimization of catalysts positioning in porous cathodes of lithium/air batteries(2016-04-08); ; ; The reversibility and capacity of current lithium/air cells are severely limited by the high overpotential between the charge and discharge process and the occlusion of the pores of the active cathode surface due to non-uniform deposition of Li2O2 as the discharge product. In this thesis we present a study of these capacity-limiting issues on the lithium/air battery in two parts. First we present a combined classical and density functional theory based molecular dynamics study of the mechanisms underlying the oxygen evolution reaction during the charging of lithium/air batteries. As models for the Li2O2 material at the cathode we employ small amorphous clusters with a 2:2 Li:O stoichiometry, whose energetically most stable atomic configurations comprise both O atoms and O-O pairs with mixed peroxide/superoxide character, as revealed by their bond lengths, charges, spin moments, and densities of states. The oxidation of Li8O8 clusters is studied in unbiased density functional theory based molecular dynamics simulations upon removal of either one or two electrons, either in vacuo or immersed in dimethyl sulfoxide solvent molecules with a structure previously optimized by means of classical molecular dynamics. Whereas removal of one electron leads only to an enhancement of the superoxide character of O-O bonds, removal of two electrons leads to the spontaneous dissolution of either an O2 or a LiO2 molecule. These results are interpreted in terms of a two-stage process in which a peroxide-to-superoxide transition can take place in amorphous Li2O2 phases at low oxidation potentials, later followed by the dissolution of dioxygen molecules and Li ions at higher potentials. In the second part we solve numerically a reaction-diffusion equation to determine the Li2O2 deposition profiles in a model porous cathode in the absence and presence of discrete catalytic sites, considering four commonly used electrolytes. We implement a Greedy optimization algorithm to maximize the cathode capacity before pore clogging by optimal positioning of the discrete catalysts along the pore. The results indicate that a maximal capacity is limited by the oxygen solubility and diffusivity in each electrolyte in the absence of catalysts and vary widely in the four cases considered. However, optimal catalyst distributions can effectively compensate for these differences, suggesting a rational way of designing cathode structures with high performances according to the required operation conditions.doctoral thesis490 226 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item type:Publication, Energetische und stoffliche Untersuchung der nasschemischen Synthese des sulfidischen Festkörperelektrolyten β-Li3PS4 zur Vorbereitung der Maßstabsvergrößerung(2024-06-27); ; ; Der steigende Energiebedarf und die Notwendigkeit, Energie aus erneuerbaren Quellen zu speichern, machen die Weiterentwicklung von Energiespeichern unabdingbar. Festkörperbatterien gelten aufgrund ihrer höheren Energie- und Leistungsdichte als potenzielle nächste Generation der Batterietechnologie. Diese Arbeit untersucht die Skalierbarkeit der nasschemischen Synthese von β-Li3PS4, einem sulfidischen Basismaterial für Festkörperelektrolyte. Ziel ist die Überführung der Synthese vom Labormaßstab in den Technikumsmaßstab, wobei besondere Herausforderungen wie die Hydrolyseneigung sulfidischer Materialien berücksichtigt werden. Die Arbeit umfasst die Anpassung von Synthese- und Charakterisierungsmethoden, die Untersuchung der Einflüsse von Eduktchargen und Vorbehandlungen sowie die Analyse der Wärme- und Stoffbilanzen. Abschließend werden Prozessvarianten zur Maßstabsvergrößerung entwickelt und deren Vor- und Nachteile diskutiert.doctoral thesis144 111 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item type:Publication, Alternative Arbeitsumgebung zur Steigerung von Effizienz und Kreativität in der frühen Innovationsphase(2010-05-18); Die Intensität von Innovationen ist für Unternehmen zu einem entscheidenden Faktor im globalisierten Wettbewerb geworden. Systematische Innovation entsteht durch gutes Innovationsmanagement mit gezielten Prozessen. Hohes Risiko in der frühen Innovationsphase und eine ressourcenintensive Umsetzung der späten Innovationsphase führen in der Regel zu einer Fokussierung auf die späte Phase des Innovationsprozesses. Jedoch hat die frühe Innovationsphase große Bedeutung für den Erfolg und die Dauer von Innovationsaktivitäten. In der vorliegenden Arbeit sollte @!ein Konzept entwickelt werden, welches das Ungleichgewicht in der Priorisierung von später und früher Innovationsphase reduziert. Das Konzept beinhaltete die Schaffung einer alternativen Arbeitsumgebung, die Freiräume für wichtige Aktivitäten der frühen Innovationsphase bot. Dieser sogenannte CR Think-Tank wurde in einer Pilotphase @!mit Mitarbeitern getestet, und evaluiert. Das Arbeiten im CR Think-Tank konnte die Bearbeitungsdauer sowie den Bearbeitungsaufwand für die frühen Innovationsaktivitäten reduzieren. Dabei erzeugte besonders die räumliche Distanz @!einen Freiraum und ermöglicht konzentriertes Arbeiten. Von den Teilnehmern wurde die sog. Kick-Off Runde und der damit verbundene Austausch positiv bewertet. Insgesamt führte der CR Think-Tank zu einer besseren Sichtbarkeit und Anerkennung der frühen Innovationsphase bei Mitarbeitern, Vorgesetzten und auf der Leitungsebene.diploma thesis536 326 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item type:Publication, Beschreibung des Grenzschichtverhaltens eines Aluminium-CFK Hybridbunds mithilfe der Finite Elemente Methode(2025-08-26); ; ; Hybridverbunde, in denen unterschiedliche Werkstoffe miteinander kombiniert werden, bieten ein hohes Einsatzpotential im Bereich von Strukturbauteilen, da jede der verwendeten Komponenten eine spezifische Aufgabe übernehmen kann, die auf ihre größten Vorteile abgestimmt ist. Im Leichtbausektor sind dies in den meisten Fällen Aluminium und kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK). Konventionelle Fügetechnologien zur Kombination dieser Werkstoffe sind meist sehr zeitaufwendige Verfahren, wie beispielsweise das Kleben, die hohe Kosten mit sich bringen, oder aber auch nicht lastgerecht, wie der Nietprozess, bei dem das Fasergewebe zusätzlich durch Einbringen von Bohrungen geschädigt wer-den kann. Dies sind nur einige Gründe warum Hybridverbunde nicht in Großse-rie gefertigt werden. Mit der Möglichkeit, diese Verbunde in einem einzigen ur-formenden Fertigungsschritt, wie dem Ein- oder Umgießen von Faserstrukturen mit schmelzflüssigem Aluminium im Hybridguss, herstellen zu können, entfallen viele zusätzliche Arbeitsschritte, wodurch die Attraktivität für Serienanwendun-gen gesteigert wird. Mit der Einführung neuartiger Fügeverfahren ist dabei das mechanische Verhalten des Verbunds und vor allem seiner Fügezone von essen-tieller Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wurde daher auf Basis von experimentellen und nu-merischen Untersuchungen eine Methodik erarbeitet, mit der zum einen eine vollständige bruchmechanische Charakterisierung des Versagensverhaltens von gießtechnisch hergestellten Hybridverbunden an nicht genormten Probekörpern möglich ist, zum anderen lassen sich im nächsten Schritt virtuelle Experimente zu dem ermittelten Grenzschichtverhalten mithilfe der Finite-Elemente-Methode durchführen, indem die identifizierten Kennwerte für die einzelnen Bruchmodi in einen vorhandenen Schädigungsansatz einer Grenzschicht implementiert wer-den. Hierzu wurden aufwendige Studien zu dem verwendeten Schädigungsan-satz, den dazugehörigen Kenngrößen und weiteren numerischen Einflussgrößen auf das Konvergenzverhalten sowie Modellierungsstrategien zur Modellredukti-on und Einsparung von Rechenzeit durchgeführt. Der Tatsache begründet, dass komplexe Gussstrukturen während des Abgusses und der Erstarrung lokal unterschiedliche Temperaturbereiche aufweisen,einen lokal unterschiedlichen thermischen Einfluss auf die einzugießende Komponente und damit auf die Grenzschicht haben, können meist nur kleine Probekörper aus diesen Bauteilregionen entnommen werden um lokale Unterschiede des Grenz-schichtverhaltens aufzuzeigen. Die Größe der Proben, ebenso wie ihr asymmet-rischer Aufbau werden dabei in keinerlei Weise den Anforderungen an genorm-te Probekörper gerecht, was eine normgerechte Prüfung dieser ausschließt. Um dennoch die meist kleinen, asymmetrischen Hybridprobekörper bruchmecha-nisch testen zu können, wurden Prüfverfahren identifiziert, die teilweise an ge-normte Methoden angelehnt, teilweise aber auch durch erste Ansätze aus der Li-teratur, Hybridverbunde bruchmechanisch zu charakterisieren, inspiriert wurden. Die Basis für die Auswertung dieser Versuche waren hierbei ebenfalls analyti-sche Lösungsansätze genormter Probekörper, oder erste Ansätze aus der Litera-tur, die auf hybride, asymmetrische Verbindungen übertragen oder auch im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt und angepasst wurden. Um zukünftig numerische Experimente an beliebigen Geometrien mit dem identifizierten Grenzschichtverhalten durchführen zu können, wurden numerische Abbildun-gen der Versuchsgeometrien mithilfe eines Finite-Elemente Programms erstellt, und das Verhalten der Grenzschicht in Form der identifizierten Kennwerte über einen Schädigungsansatz, dem Kohäsivzonenmodell, implementiert. Anhand der numerischen Abbildungen der Versuche wurden einerseits die Wiedergabe-genauigkeit dieser Kennwerte anhand verschiedener Modellierungsstrategien er-probt, andererseits wurde der Einfluss numerischer Größen auf das Konver-genzverhalten der Modelle untersucht. Hierzu wurde das Kraft-Weg-Verhalten der Modelle und weitere Kriterien, wie die Rissinitiierung oder die Änderung der Nachgiebigkeit durch Risswachstum mit denen der Experimente verglichen. Nach aufwendigen Studien an den einzelnen Modellen konnte eine hohe Reali-tätsnähe zu den experimentellen Versuchen erzielt werden. Da diese Modelle und Versuche jedoch nur für die reinen Bruchmodi I und II entwickelt wurden, in denen kein Mischbruchverhalten auftreten sollte, wurde ein weiterer Probekör-per mit Mischbruchverhalten herangezogen, von dem ein numerisches Abbild mit allen gewonnenen Erkenntnissen und Daten erzeugt wurde, um so die Taug-lichkeit des numerischen Ansatzes zur Abbildung des Versagensverhaltens der Struktur zu überprüfen. In einem anschließenden Vergleich konnte erneut eine hohe Genauigkeit zwischen Simulation und Experiment festgestellt werden, was in Kombination mit den identifizierten Maßnahmen zur Modellreduktion zu kur-zen Rechenzeiten führte. Somit konnte in dieser Arbeit ein erster neuer Ansatz einer effizienten Methodik zur Beschreibung des bruchmechanischen Verhaltens hybrider Strukturen aus Aluminium und CFK von der Probenauslegung über die Prüfung und Kennwertermittlung bis hin zur numerischen Simulation mit tiefge-henden Untersuchengen zum Konvergenzverhalten präsentiert werden, anhand derer numerische Experimente mit hoher Genauigkeit durchgeführt und zuver-lässige Prognosen zum Verhalten von Strukturen mit gemischter Beanspruchung gegeben werden konnten.doctoral thesis32 32