Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung eines bisher fehlenden rechnerischen Bemessungsverfahrens für die Sprengverdichtung von annähernd wassergesättigten, granularen Lockergesteinen. Gestützt auf experimentelle Erkenntnisse aus Modellversuchen mit Einzelsprengungen wird eine neue Hypothese zum Mechanismus von Verdichtungssprengungen aufgestellt. Ausgehend von den Erhaltungsgleichungen der mit dem Konzept der Volumenfraktionen erweiterten Theorie poröser Medien wird mit Hilfe einer deduktiven konstitutiven Analyse eine allgemeine, konsistente Theorie zum Verhalten von Lockergesteinen unter der Belastung von Sprengungen formuliert und durch Einbeziehen der Theorie der Hypoplastizität sowie weiterer induktiver konstitutiver Gleichungen in eine geschlossene, spezielle Theorie überführt. Die Anwendung der allgemeinen Theorie auf den Fall einer quasieindimensionalen Bewegung führt auf eine spezielle Nahfeldtheorie, deren numerische Lösung in guter Übereinstimmung mit den erzielten experimentellen Ergebnissen steht. Durch systematische Berechnungen wird der Einfluss von geotechnischen und sprengtechnischen Eingangsgrößen auf die Wirksamkeit von Einzelsprengungen in Böden untersucht und ein verbessertes Verfahren zur Dimensionierung von Verdichtungssprengungen wird vorgeschlagen.

Die wichtigste Baugruppe im Verfahrensablauf einer Lost-Foam-Gießanlage ist neben der Gießstation die Vibrationseinrichtung. Diese Einrichtung dient dem Befüllen eines Gießbehälters mit Gießmodell bei gleichzeitigem Verdichten des Formsandes. Es wurden vier Varianten einer dreidimensionalen Vibrationseinrichtung entworfen, teilweise konstruiert und in ihrer Machbarkeit verglichen. Modelliert und simuliert wurde das dynamische Bewegungsverhalten des servohydraulisch angetriebenen dreidimensionalen Vibrationstisches. Es zeigte sich die Eignung der konstruierten Vibrationseinrichtung, ebenfalls wiesen Spannungs- und Verformungsanalysen zur Optimierung eines neuen Gießbehälters seine geforderten Einsatzmöglichkeiten nach. Die Vorzugsvariante, ein dreidimensional servohydraulisch angetriebener Vibrationstisch ohne Klemmrahmen, konnte in eine neue Lost-Foam-Gießanlage projektiert werden.

Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung eines bisher fehlenden rechnerischen Bemessungsverfahrens für die Sprengverdichtung von annähernd wassergesättigten, granularen Lockergesteinen. Gestützt auf experimentelle Erkenntnisse aus Modellversuchen mit Einzelsprengungen wird eine neue Hypothese zum Mechanismus von Verdichtungssprengungen aufgestellt. Ausgehend von den Erhaltungsgleichungen der mit dem Konzept der Volumenfraktionen erweiterten Theorie poröser Medien wird mit Hilfe einer deduktiven konstitutiven Analyse eine allgemeine, konsistente Theorie zum Verhalten von Lockergesteinen unter der Belastung von Sprengungen formuliert und durch Einbeziehen der Theorie der Hypoplastizität sowie weiterer induktiver konstitutiver Gleichungen in eine geschlossene, spezielle Theorie überführt. Die Anwendung der allgemeinen Theorie auf den Fall einer quasieindimensionalen Bewegung führt auf eine spezielle Nahfeldtheorie, deren numerische Lösung in guter Übereinstimmung mit den erzielten experimentellen Ergebnissen steht. Durch systematische Berechnungen wird der Einfluss von geotechnischen und sprengtechnischen Eingangsgrößen auf die Wirksamkeit von Einzelsprengungen in Böden untersucht und ein verbessertes Verfahren zur Dimensionierung von Verdichtungssprengungen wird vorgeschlagen.

Die FKM-Richtlinie dient dem Festigkeitsnachweis im Maschinenbau und verwandten Bereichen. Ihre Anwendung kann immer dann vereinbart werden, wenn keine spezielle Norm anzuwenden ist. Sie beschreibt die Nachweisführung für statische und zyklische Lasten an Bauteilen aus Stahl und Aluminiumwerkstoffen. Der Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie läuft stets nach dem gleichen Schema ab: -> Ermittlung der Werkstoffkennwerte -> Festlegung der Sicherheitsfaktoren -> Ermittlung der Beanspruchung -> Ermittlung des Auslastungsgrades Mit „FKM inside ANSYS“ steht dem ANSYS-Anwender ein Werkzeug zur Verfügung, das bei der richtlinienkonformen Nachweisführung unterstützt. Dabei erfolgt der Nachweis nicht geschweißter Volumenbauteile mit örtlichen Spannungen und der Nachweis geschweißter Volumenbauteile nach dem Strukturspannungskonzept. Insbesondere für zyklische Belastungen ist das Auffinden der Nachweisstellen – also der maximal beanspruchten Positionen – nicht immer trivial. Hier hilft „FKM inside ANSYS“, durch vollflächige Visualisierung des Auslastungsgrades auf den zu untersuchenden Bauteilen diese Positionen sicher zu bestimmen und zu bewerten. Es ergeben sich gegenüber einem manuellen Nachweis folgende Vorteile: -> Schnelle und einfache Definition der Nachweisparameter -> Schnelle Durchführung von Parameterstudien -> Schnelles und sicheres Auffinden der maximal beanspruchten Stellen -> Erleichterte Ergebnisinterpretation durch Visualisierung des Auslastungsgrades -> Automatische Berichterstellung an den Nachweispositionen

Pressverbindungen gehören zu den klassischen Maschinenelementen und werden insbesondere in der Antriebstechnik häufig eingesetzt. Zur sicheren und zugleich wirtschaftlichen Auslegung derartiger Verbindungen unter zyklischen Lasten fehlen generell gültige sowie abgesicherte normative Vorgaben bzw. Richtlinien für den Anwender. Insbesondere ist dies dann zutreffend, wenn Geometrien vorkommen, für welche keine Tabellen- bzw. Erfahrungswerte existieren. In dieser Arbeit werden ausführliche experimentelle Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit von Pressverbindungen einer Standardgeometrie vorgestellt. Im Fokus der Untersuchungen steht die Dauer-, Zeit- und Betriebsfestigkeit der biege- sowie torsionsbelasteten Verbindung. Auf Basis der erzielten Festigkeiten und Lebensdauerwerte erfolgt die Ableitung normspezifischer Kennwerte für die Praxis. Weiterhin steht die Übertragung der erzielten Ergebnisse auf andere Pressverbindungs-Geometrien, wie beispielsweise die Verbindung mit Wellenabsatz, im Vordergrund. Hierbei wird das Verhalten hinsichtlich der Kerbwirkung im Vergleich zu gekerbten Wellen sowie zu anderen reibdauerbeanspruchten Verbindungen untersucht. Zudem erfolgt eine ausführliche Analyse simulationsspezifischer Einflussgrößen auf die Beanspruchungshöhe der Pressverbindung. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein neues Auslegungskonzept erarbeitet und an Ergebnissen aus der Literatur gespiegelt.

Die wichtigste Baugruppe im Verfahrensablauf einer Lost-Foam-Gießanlage ist neben der Gießstation die Vibrationseinrichtung. Diese Einrichtung dient dem Befüllen eines Gießbehälters mit Gießmodell bei gleichzeitigem Verdichten des Formsandes. Es wurden vier Varianten einer dreidimensionalen Vibrationseinrichtung entworfen, teilweise konstruiert und in ihrer Machbarkeit verglichen. Modelliert und simuliert wurde das dynamische Bewegungsverhalten des servohydraulisch angetriebenen dreidimensionalen Vibrationstisches. Es zeigte sich die Eignung der konstruierten Vibrationseinrichtung, ebenfalls wiesen Spannungs- und Verformungsanalysen zur Optimierung eines neuen Gießbehälters seine geforderten Einsatzmöglichkeiten nach. Die Vorzugsvariante, ein dreidimensional servohydraulisch angetriebener Vibrationstisch ohne Klemmrahmen, konnte in eine neue Lost-Foam-Gießanlage projektiert werden.

Mit verschiedenen experimentellen Methoden werden die strukturabhängigen Eigenschaften amorpher Zr-Al-Ni-Cu- und Ta-Si-N- Multikomponentenschichten untersucht. Aus Messungen der mechanischen Spannungen in amorphen Zr-Al-Ni-Cu-Schichten werden mit hoher Empfindlichkeit relative Volumenänderungen bestimmt, die bei Schichtwachstum, Relaxation und Kristallisation auftreten. Das Meßverfahren ermöglicht Untersuchungen der Spannungsrelaxation und Viskosität in der Nähe des Glasübergangs. Irreversible Spannungsrelaxationen unterhalb von Tg können mit der "Freie Volumen-Theorie" gedeutet werden. Als Ursache für eine schnelle Abnahme von Druckspannungen im Bereich des Glasübergangs wird dagegen ein Fließprozeß vorgeschlagen. Unmittelbar während der Kristallisation werden nur geringe Spannungsänderungen festgestellt. Aus Messungen der isothermen Spannungsrelaxation werden Viskositäten der amorphen Schichten bestimmt. Aus den Spannungsmessungen ergeben sich neue Erkenntnisse über das Relaxations- und Kristallisationsverhalten von Multikomponentengläsern. Es werden grundlegende Fragestellungen zu Entmischungs- und Kristallisationsvorgängen in amorphen Ta-Si-N-Schichten untersucht, die auch für technologische Anwendungen der Schichten als Diffusionsbarrieren relevant sind. ASAXS-, TEM- und XRD- Messungen ergeben, daß in amorphen Ta40Si14N46-Schichten bei Temperaturen zwischen 1073 K und 1273 K komplexe Prozesse, wie eine Phasenseparation und eine nachfolgende Nanokristallisation ablaufen. Diese Prozesse führen zu einer Bildung von Strukturen mit charakteristischen Ausdehnungen und wirken sich auf die mechanischen Spannungen aus. Durch die vorliegenden Ergebnisse wird gezeigt, daß die Stabilität der Diffusionsbarrieren bereits unterhalb der Kristallisationstemperatur durch die Entmischung und Nanokristallisation begrenzt ist.

The aim of the presented work was to deposit cubic boron nitride thin films by magnetron sputtering under simultaneous stress relaxation by ion implantation. An in situ instrument based on laser deflectometry on cantilever structures and in situ ellipsometry, was used for in situ stress measurements. The characteristic evolution of the instantaneous stress during the layered growth of cBN films observed in IBAD experiments, could be reproduced for magnetron sputter deposition. To achieve simultaneous stress relaxation by ion implantation, a complex bipolar pulsed substrate bias source was constructed. This power supply enables the growth of cBN thin films under low energy ion irradiation (up to 200 eV) and, for the first time, the simultaneous implantation of ions with an energy of up to 8 keV during high voltage pulses. It was demonstrated that the instantaneous stress in cBN thin films can be released down to -1.1 GPa by simultaneous ion bombardment during the high voltage pulses. A simultaneous stress relaxation during growth is possible in the total investigated ion energy range between 2.5 and 8 keV. These are the lowest ion energies reported for the stress relaxation in cBN. Since such a substrate bias power supply is easy to integrate in existing process lines, this result is important for industrial deposition of thin films, not only for cubic boron nitride films. It was found that the amount of stress relaxation depends on the number of atomic displacements (displacements per atom: dpa) that are induced by the high energy ion bombardment and is therefore dependent on the ion energy and the high energy ion flux. In practise, this means that the stress relaxation is controlled by the product of the pulse voltage and the pulse duty cycle or frequency. The cantilever bending measurements were complemented on microscopic scale by x-ray diffraction (XRD). The analysis of the cBN (111) lattice distances revealed a pronounced biaxial compressive state of stress in a non-relaxed cBN film with d(111) being larger in out-of-plane than in in-plane direction. Post deposition annealing at 900 ° C of a sample with an ion induced damage of 1.2 dpa, resulted in a complete relaxation of the lattice with equal in-plane and out-of-plane lattice parameters. In the case of medium-energy ion bombardment, the in-plane and out-of-plane lattice parameters approach the value of the annealed sample with increasing ion damage. This is a clear evidence for stress relaxation within the cBN lattice. The stability of cBN under ion bombardment was investigated by IR spectroscopy and XRD. The crystalline cBN was found to be very stable against ion irradiation. However a short-range ordered, sp3/sp2 - mixed phase may exist in the films, which could be preferably converted to a sp2 -phase at high damage values. From the analysis of the near surface region by XANES, it can be concluded the stress relaxation by the energetic ion bombardment is less at the surface than in the bulk film. This is explained with the dynamic profile of the ion induced damage, that reaches the stationary bulk value in 15-20 nm depth, whereas it is decreasing towards the surface. This fits with the results that the stress relaxation is dependent on the amount of ion induced damage. Comparing the results from substrate curvature measurement, XRD, XANES, and IR spectroscopy possible mechanisms of stress relaxation are discussed. Concluding the results, it can be stated that using simultaneous ion implantation for stress relaxation during the deposition it is possible to produce BN films with a high amount of the cubic phase and with very low residual stress.

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