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3. Methodenband der Querschnittsarbeitsgruppe "Energetisch-wirtschaftliche Bilanzierung" des Spitzentechnologieclusters eniPROD / 3rd workbook of the cross-sectional group 'Energy-related technologic and economic evaluation' of the Cluster of Excellence eniPROD

Tagungsbände des 1. und 2. Methodenworkshop der Querschnittsarbeitsgruppe 1 "Energetisch-wirtschaftliche Bilanzierung" des Spitzentechnologieclusters eniPROD / Proceedings of the 1st and the 2nd workshop of the cross-sectional group 1 'Energy-related technologic and economic evaluation' of the Cluster of Excellence eniPROD

Tagungsbände des 1. und 2. Methodenworkshop der Querschnittsarbeitsgruppe 1 "Energetisch-wirtschaftliche Bilanzierung" des Spitzentechnologieclusters eniPROD / Proceedings of the 1st and the 2nd workshop of the cross-sectional group 1 'Energy-related technologic and economic evaluation' of the Cluster of Excellence eniPROD

Ces travaux examinent le potentiel d’un papier à fort lissé pour la production de masse de tags RFID-HF imprimés. Les caractérisations menées sur le papier Powercoat HD mettent en évidence une haute tolérance à la température et une faible rugosité. De fait, il se présente ainsi comme une sérieuse alternative à l’utilisation des films polymères (PET, PEN, PI, etc.), permettant de développer pleinement les performances électriques d’encres conductrices métalliques.Deux procédés d’impression industriels ont été considérés, la flexographie et la sérigraphie ayant tout deux fait leurs preuves depuis plusieurs décennies pour l’impression graphique à hautes cadences. Le potentiel de leur utilisation pour l’impression à grande échelle de dispositifs électroniques à bas-coût est discuté dans ces travaux. De plus, les performances électriques d’encres commerciales à base d’argent sont étudiées en fonction de la taille des particules qui les composent. En effet, l’utilisation de particules métalliques à l’échelle nanométrique pourra faciliter l’activation des mécanismes de diffusion atomique, améliorant ainsi le contact physique entre les particules et favorisant la conduction électrique. En parallèle, les encres à microparticules sont moins coûteuses et leurs conditions d’utilisation moins contraignantes. Toutefois, la coalescence des particules métalliques après l’impression ne pourra être initiée sans un traitement thermique de recuit.Le recuit est usuellement réalisé dans une étuve ou un tunnel à air chaud, la température doit alors rester inférieure à la tolérance du substrat. Cela permet d’atteindre des performances électriques qui restent limitées pour des durées de procédé de l’ordre de plusieurs minutes. Afin de tenir compte des contraintes industrielles d’une production à grande échelle et de permettre d’obtenir les meilleures performances électriques en un temps réduit, l’un des principaux axes de recherche exploré consiste au déploiement des technologies émergentes de recuit photonique proche infrarouge (NIR) et lumière intense pulsée (IPL). Ces dernières sont basées sur l’absorption de l’énergie lumineuse par le film d’encre provoquant ainsi sont échauffement rapide. L’important différentiel d’absorption entre les encres et le substrat contribue, en outre, à une sélectivité de ces procédés permettant de limiter la dégradation du support tout en atteignant au niveau de l’encre, des températures pouvant être supérieures à 300°C. Pour chaque procédé de recuit, l’influence des différents paramètres sur les performances électriques finales a pu être étudiée par la mise en place d’un suivi in-situ de la résistance, permettant un échantillonnage allant jusqu’à 250 kHz.Finalement, des boucles RFID-HF ont été imprimées, recuites dans les conditions précédemment optimisées puis caractérisées. Une estimation des coûts de production a été menée afin de distinguer les contributions liées à l’encre, au support et à la puce électronique en silicium. Les résultats obtenus mettent en évidence le potentiel du papier Powercoat HD, couplé à une impression en flexographie et à un recuit proche infrarouge, permettant alors la production à grande échelle de tags RFID-HF pour un coût matière de l’ordre de 5 centimes d’euros. / This work examines the potential of a very smooth paper for the mass production of printed RFID-RF tags. Characterizations on Powercoat HD paper demonstrate high temperature tolerance and very low roughness. It thus represents a serious alternative to the use of polymeric films (PET, PEN, PI, etc.), enabling the electrical performance of metallic conductive inks to be fully developed.Two industrial printing processes have been considered, flexography and screen printing, and their use were discussed for the printing of low-cost electronic devices. Moreover, the electrical performances of commercial silver based inks are studied according to the size of their particles. Indeed, the use of metal particles at the nanometric scale can facilitate the activation of the atomic diffusion mechanisms, thus improving the physical contact between the particles and promoting electrical conduction. In parallel, microparticles inks are cheaper and their conditions of use less restrictive. In any case, the coalescence of the metal particles after printing cannot be initiated without a thermal sintering treatment.Sintering is usually carried out in an oven or hot air tunnel, the temperature must therefore remain below the tolerance of the substrate. This leads to limited electrical performances for long process duration of several minutes. In order to take into account the industrial constraints of large-scale production and to achieve the best electrical performance in a short time, one of the main explored research areas is the deployment of emerging near-infrared (NIR) and intense pulsed light (IPL) photonic technologies. These latter are based on the absorption of light energy by the ink film thus causing rapid heating. The important absorption differential between the inks and the substrate allows high heating selectivity which makes it possible to limit the degradation of the substrate while the ink temperatures may be greater than 300 ° C. For each sintering process, the influence of the various parameters on the final electrical performance has been studied by setting up an in-situ resistance monitoring, allowing sampling frequency up to 250 kHz.Finally, RFID-HF loops were printed, sintered under previously optimized conditions and then characterized. An estimate of the production costs was carried out in order to distinguish the contributions related to the ink, the substrate and the silicon chip. The obtained results demonstrate the potential of Powercoat HD paper, coupled with flexographic roll-to-roll printing and near-infrared technology, enabling the large-scale production of RFID-HF tags at a material cost of the order of 5 euros cents.

Ce mémoire présente l'étude du déplacement collisionnel de la fréquence d'horloge du césium en présence du gaz tampon hélium ou xénon. L'introduction d'un gaz tampon dans les cellules à vapeur alcaline est nécessaire pour diminuer la largeur de raie de la résonance CPT par effet Dicke. Cependant, la présence de gaz tampon induit un déplacement quadratique de la fréquence d'horloge en fonction de la température de la cellule. Il est possible d'annuler la dépendance thermique du déplacement collisionnel en se plaçant à une température, dite d'inversion, déterminée par le ratio de gaz tampons introduits dans la cellule. Cette température est un point de fonctionnement de choix pour l'opération d'horloges atomiques miniatures et nécessite d'être de l'ordre de 90 voire 100 °C pour les applications à contraintes environnementales sévères. Nous avons mesuré les valeurs des coefficients de déplacement collisionnel de la fréquence d’horloge du césium en présence d’hélium et déterminé pour la première fois la valeur du coefficient quadratique en température. Concernant le xénon, les mesures des valeurs des coefficients de déplacement collisionnel sont incertaines en raison du caractère cubique non-attendu du déplacement collisionnel de la fréquence d’horloge du césium en présence de xénon. Ce comportement serait attribué à des interactions avec les molécules transitoires de van der Waals. Nous avons également établi qu'un mélange de gaz tampon néon-hélium permet d'obtenir des températures d'inversion supérieures à 80 °C. Des mesures dans des micro-cellules ont révélé des températures de l'ordre de 89 à 94 °C pour des mélanges à quelques pourcents d'hélium. / This thesis presents a study on collisional shift of cesium clock frequency in the presence of helium or xenon buffer gas. Introduction of buffer gas in alkaline vapour cells is necessary to narrow the CPT line-width by Dicke effect. Nevertheless, buffer gas induces a quadratic shift of the clock frequency versus temperature cell. Cancellation of collisional shift temperature dependence is possible at a so-called inversion temperature depending on the buffer gas ratio. This inversion temperature is great working point for micro atomic clocks. This temperature is required to be 90 or even 100 °C, especially to work in harsh environmental constraints. We measured collisional shift coefficients of cesium clock frequency in presence of helium buffer gas and we determined for the first time the value of the quadratic coefficient. About xenon buffer gas, the measurement of collisional shift coefficients is more difficult because of non-expected cubic behavior of collisional clock frequency shift which could be linked to the interaction with van der Waals molecules. We established that a neon-helium buffer gas mixture could allow an inversion temperature superior to more than 80 °C. Inversion temperatures from 89 to 94 °C are measured in cesium vapor microcells filled with a mixture containing a few percent of helium.

Getrieben von einem weltweit zunehmenden Kostendruck sind insbesondere die produzierenden Unternehmen im kmU-Bereich angehalten, ihre Geschäftsprozesse insbesondere in der Fertigung, Montage und Logistik effizienter, flexibler und kürzer zu gestalten. Als wesentlicher Faktor dafür gilt die rationelle, schnelle und echtzeitnahe Erfassung, Aufbereitung, Weiterleitung und Speicherung der Ressource Information, insbesondere für eine operative Produktionsablaufsteuerung und - überwachung. Mit der Nutzung der Transpondertechnologie (bzw. RFIDTechnologie) zur Gestaltung eines hocheffektiven und kostengünstigen Informationsflusses in den Produktions- und Logistikabläufen besteht dafür ein hohes zukunftsträchtiges Potenzial, welches es praxisrelevant aufzubereiten und zu überführen gilt. Mit der Integration dieser Technologie in die Prozesssteuerung bzw. in ihre Abläufe wird die Eigenschaft genutzt, Zustands- und Prozessdaten zeitkonform zu erkennen, bewerten, aktualisieren und sie wieder an Objekte mit ausgestattetem Transponder zu übertragen, um operativ auf die Prozesse Einfluss nehmen zu können. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse und die in hohem Maße gemeinsam mit der Praxis erzielten Forschungsinhalte entstanden aus einem gemeinsam mit dem Fachgebiet Logistik der Universität Dortmund (Prof. Dr.-Ing. R. Jansen, MSc St. Harms, Dipl.-Ing. M. Finger, Dipl.-Kfm. J. Schmidt, Dr.-Ing. B. Bohl ) erarbeiteten und von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) geförderten Vorhaben Integration der Transpondertechnologie zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der operativen Produktionssteuerung (ITELOP). Die AiF- Vorhaben- Nr. lautet: ZUTECH 65 ZBG / 1. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes münden in einen internetbasierten Leitfaden, in welchem auf Basis der Planungsmethodik die Schritte zur Neuplanung eines RFID-Systems - wahlweise zur Produkt- oder Ladungsträgeridentifikation aufbereitet und gestaltet werden (http://www.tu-chemnitz.de/mb/InstBF/ITELOP).

Ein bedeutender Punkt in der Brennstoffzellentechnologie ist der Einsatz von platinhaltigen Elektroden, welche die Brennstoffzellentechnologie zu einer teuren Technologie macht. Zum jetzigen Zeitpunkt werden die katalytischen Schichten in großen Maßstäben als Endlos-Elektroden produziert, was dazu führt, dass die einzelnen Elektroden für die Stacks ausgeschnitten und hierbei viel nicht genutztes Elektrodenmaterial, sprich Abfall entsteht. Dieser kann später recycelt werden, jedoch ist eine 100 %ige Rückgewinnung der eingesetzten Rohstoffe nicht möglich. Die Drucktechnik bietet eine Möglichkeit diese Entstehung von Abfall zu vermeiden. Mittels der verschiedenen Drucktechnologien, wie z. B. Inkjet-, Tief- und Siebdruck ist es möglich Elektroden mit gezielten Geometrien zu fertigen, sprich die Elektrodenschichten werden genau an die Erfordernisse angepasst. Der Aufbau von Multilagen ist präzise möglich und es können MEA´s (Membran-Electrode Assembly) mit scharfen, klar abgegrenzten Kanten erstellt werden. In diesem Paper werden Ergebnisse der Inkjet- und Tiefdrucktechnologie vorgestellt, sowie deren Charakterisierung. Da bereits kleinste Unregelmäßigkeiten in den Elektroden zu einem Ausfall des Systems führen können, werden die katalytischen Schichten mittels Oberflächenprofilometer (Veeko Dektak 150) auf ihre Homogenität untersucht. Darüber hinaus werden die Leitfähigkeiten (SÜSS Microtec PM5 Probe System) und die Haftung der gedruckten Schichten in Abhängigkeit von der Drucktechnologie betrachtet. / An important point in fuel cell technology is the use of platinum-containing electrodes, which makes fuel cell technology an expensive technology. At present, the catalytic layers are produced on a large scale as continuous electrodes, which results in the individual electrodes being cut out for the stacks, resulting in a lot of unused electrode material, i.e. waste. This can be recycled later, but 100 % recovery of the raw materials used is not possible. The printing technology offers a possibility to avoid this generation of waste. Using the various printing technologies, such as inkjet, gravure, and screen printing, it is possible to produce electrodes with specific geometries, i.e. the electrode layers are precisely adapted to the requirements. The construction of multilayers is precisely possible and MEA's (Membrane Electrode Assembly) with sharp, clearly defined edges can be created. This paper presents the results of inkjet and gravure printing technology and their characterization. Since even the smallest irregularities in the electrodes can lead to system failure, the homogeneity of the catalytic layers is examined using a surface profilometer (Veeko Dektak 150). In addition, the conductivities (SUSS Microtec PM5 Probe System) and the adhesion of the printed layers will be examined as a function of the printing technology.

Brennstoffzellen stellen aufgrund ihrer Vielseitigkeit, ihres Wirkungsgrades und ihrer systembedingten Vorteile eine ausgezeichnete Lösung zur Erzeugung von elektrischer Energie bei Bedarf dar. Zahlreiche Projekte haben die prinzipielle Einsatzbereitschaft dieser Technologie für stationäre, maritime und mobile Anwendungen gezeigt. Der Markthochlauf steht jedoch derzeit vor einigen Hürden. Besonderes Augenmerk wird darauf gelegt, wie kleine und mittlere Unternehmen (KMU) diese überwinden können. Diese Hindernisse werden im Kontext der allgemeinen Marktsituation im Allgemeinen sowie in der Brennstoffzellenindustrie grundlegend analysiert. Möglichkeiten zur Kostensenkung bei steigenden Produktionsmengen und zur Sicherstellung der erforderlichen Produktqualität werden diskutiert. Die zu produzierenden Stückzahlen sind je nach Marktsegment sehr unterschiedlich. Daher ist es unerlässlich, dass die Produktionskapazitäten mit der tatsächlichen Nachfrage nach Brennstoffzellensystemen und -produkten wachsen. Ein universelles Brennstoffzellensystem, das nur einfache Anpassungen für verschiedene Anwendungen erfordert, kann hier eine Lösung sein. / Fuel cells represent an excellent solution for generating electrical power on demand because of their versatility, efficiency and system-related advantages. Numerous projects have shown the readiness of this technology for stationary, maritime and mobile applications. However the market ramp-up presently faces certain hurdles. Particular attention is paid to how small and medium sized enterprises (SMEs) can overcome them. These obstacles are put in context by an analysis of the general market Situation within the fuel cell industry. Opportunities for the reduction of costs as production quantities ramp up whilst assuring the necessary product quality are discussed. The quantities involved are vary between individual market segments. Therefore it is imperative that production capacities grow in line with the actual demand for fuel cell systems and products. A universal fuel ce/1 system design which only needs simple adaptations for different applications can be a solution here.

Induction Assisted Single Point Incremental Forming (IASPIF) is a die-less hot sheet metal forming. The IASPIF does not apply characteristic complex tooling like those applied in deep drawing and bending. In this thesis, induction heating was used to heat up the sheet while simultaneously forming with a tool. The research goal is to improve the formability of high strength steels by heating. The IASPIF consists of non-complicated set up that allows induction heating to be utilized through the coil inductor moved under the sheet and synchronized with the forming tool that moves on the upper side of the sheet. The advanced high strength steel alloys, DP980, DP600 and 22MnB5 steels, were investigated. The influence of induction heating on formability was evaluated by the maximum wall angle that can be achieved in a single pass. Additionally, tool diameter and tool feed rate was also varied. The most influencing parameters were tool feed rate, induction power, and the profile depth. A new forming strategy was also developed by control the heating temperature through coupling the formed profile depth with a successively increased tool feed rate. The forming forces of DP980 steel sheet, were reduced from 7 kN to 2.5 kN when forming process was performed at room and elevated temperature, respectively. Stretching stresses were developed during forming process causing a high reduction in the resulting wall part thickness. New findings in this investigation were the reverse relationship between the step-down depth and the thickness reduction percentage. The smaller the tool diameter, the better was the formability. The finite element simulation of the investigated forming process showed that the increase in heating temperature has a direct effect on rising the plastic strain from 0.2 at room temperature to 1.02 at 800 ◦ C. The maximum true strain achieved in the resulting wall part thickness was determined by FEM simulations and validated with experimental trials. The part shape accuracy was measured and the highest deflection was founded when the part was formed by the highest step-down depth. Moreover, the minimum deflection in the part shape was achieved by utilizing a high induction power in the experiments. Finally, the resulting mechanical properties of the 22MnB5 alloy sheet material were tailored during IASPIF. For this purpose, the sheets were locally heated by induction during the forming process and subsequently quenched at different rates. As a result, the produced tailored parts consist of three different regions, which consist of a ductile, transitional and hardened region. The proposed procedure allows forming and quenching at the same time without transfer and thus, process time was reduced. / Die induktionsgestützte, inkrementelle Blechumformung (englisch: Induction Assisted Single-Point Incremental Forming IASPIF) ist Warmumformprozess, bei dem keine komplexen Werkzeuge wie beim Tiefziehen und Biegen benötigt werden. Inhalt dieser Arbeit ist die inkrementelle Umformung eines Bleches mit gleichzeitig ablaufender induktiver Erwärmung. Das Forschungsziel bestand in der Verbesserung der Umformbarkeit von hochfesten Stahlwerkstoffen wie DP600, DP980 und 22MnB5 durch eine gezielte partielle Erwärmung. Der prinzipielle Aufbau des Versuchsstandes besteht aus einem Spuleninduktor, der unterhalb des umzuformenden Blechs platziert ist, und der synchron mit dem Werkzeug – einem Drückdorn – während des Umformvorganges verfährt. Ein wesentlicher Untersuchungsschwerpunkt bestand in der Ermittlung der Einflussgrößen auf den untersuchten IASPIF-Prozess. Für die Bewertung der Umformbarkeit wurden hierbei der maximal erreichbare Teilwandwinkel und die Profiltiefe, die in einem Umformdurchgang herstellbar waren, ermittelt und ausgewertet. Darüber hinaus konnten im Rahmen der Arbeit die Induktionsleistung des Generators, der Werkzeugdurchmesser und die Werkzeugvorschubgeschwindigkeit als relevante Prozessparameter identifiziert werden. Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen zeigten die Werkzeugvorschubgeschwindigkeit und die Induktionsleistung einen wesentlichen Einfluss auf die erreichbare Profiltiefe. Aufbauend auf den erzielten Ergebnissen konnte eine prozessangepasste Umformstrategie entwickelt werden, bei der eine konstante Erwärmungstemperatur durch das Koppeln der momentanen Profiltiefe mit einer sukzessiv steigenden Werkzeugvorschubgeschwindigkeit erreicht wird. Weiterhin ließen sich die Kräfte bei der Umformung eines Stahlbleches aus DP980 von 7 kN (bei Raumtemperatur) auf 2,5 kN (bei erhöhter Temperatur) reduzieren. Aufgrund des mit einem Streckziehvorgang vergleichbaren Spannungszustandes während des Umformprozesses war eine starke Verringerung der resultierenden Wanddicke zu beobachten. Als neue Erkenntnis in dieser Untersuchung konnte die umgekehrte Beziehung zwischen der Zustelltiefe und dem Dickenreduktionsprozentsatz abgleitet werden. Aus der Finite - Elemente - Simulation des vorgestellten Umformprozesses wurde erkennbar, dass die Erhöhung der Erwärmungstemperatur einen direkten Einfluss auf die plastische Dehnung von 0,2 (bei Raumtemperatur) auf 1,02 (bei 800 °C) hat. Mittels der numerischen Simulation und der nachfolgenden experimentellen Validierung erfolgte darüber hinaus die Bestimmung der maximalen wahren Dehnung, die in der resultierenden Wanddicke erreicht wurde. Bei den Versuchen mit der größten Zustellung ließ sich durch die Bestimmung der Teileformgenauigkeit die höchste Abweichung von der Sollgeometrie CAD Modell feststellen. Abschließend wurde nachgewiesen, dass der IASPIF Prozess auch zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften wie der resultierenden mechanischen Eigenschaften des Blechmaterials aus 22MnB5 einsetzbar ist. Zu diesem Zweck wurden die Bleche während des Umformprozesses lokal induktiv erwärmt und anschließend zur Einstellung des gewünschten Gefüges bei unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten abgeschreckt.