Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2007

Zugl.: München, Universiẗat der Bundeswehr, Diss., 2008.

Originally presented as the author's Thesis--Technische Universität Hamburg, 2007. / Includes bibliographical references.

In der Ingenieursausbildung ist die Arbeit an Anlagen und Maschinen ein wesentlicher Baustein, um die Anwendbarkeit, Möglichkeiten und Grenzen der in der Theorie vermittelten Methoden an praktischen Problemstellungen zu erproben und einschätzen zu lernen. Zu diesem Zweck werden an vielen Hochschulen und Universitäten unterschiedliche Versuchsanlagen eingesetzt. Die Errichtung und der Betrieb solcher Anlagen erfordern jedoch Platz und sind typischerweise mit hohem Einsatz personeller und finanzieller Ressourcen verbunden. Dieser Beitrag betrachtet den Einsatz virtueller Versuchsanlagen als eine mögliche Ergänzung der bestehenden Laborinfrastruktur. Virtuelle Anlage sind solche, die nicht physisch existieren, sondern deren dynamisches Verhalten simuliert und in einer 3D-Visualisierungen auf einem Monitor oder in einer VR-Brille dargestellt werden kann. Virtuelle Anlagen haben gegenüber realen Versuchsanlagen viele Vorteile in Bezug auf die Dauer und Kosten für deren Realisierung, sowie deren Erweiterung und Anpassung an neue Lehrinhalte und die Skalierung und Vervielfältigung für den Einsatz in Praktika. Auf der anderen Seite müssen Laboringenieure für die Entwicklung, Pflege und Instandhaltung virtueller Anlagen über andere Kompetenzen (insb. im Bereich der IT und Programmierung) verfügen, als bei realen Anlagen. Zudem wird für den Betrieb solcher Anlagen zusätzliche Soft- und Hardware benötigt. Am Beispiel eines virtuellen Aufzugs beschreibt dieser Beitrag im Einzelnen diese Vor- und Nachteile und gibt Hinweise für den Einsatz einer virtuellen Anlage in Praktika und Übungen.

Das System Eisenbahn erfordert technische Lösungen und umfangreiche Vorschrif-ten, um das komplexe Zusammenwirken der beteiligten Komponenten trotz vielfäl-tiger Randbedingungen zu einem sicheren Verkehrssystem zu kombinieren. Um die Einhaltung der Vorgaben sicherzustellen, überwachen Zugbeeinflussungssysteme das Handeln des Triebfahrzeugführers. Durch die Harmonisierung des europäi-schen Eisenbahnverkehrs und die damit verbundene Einführung des European Train Control System kommt dabei ein komplexes, umfangreiches und leistungsfä-higes Zugbeeinflussungssystem zum Einsatz. Um auch zukünftig den Bedarf an sehr gut ausgebildeten Fachkräften der Bahnsicherungstechnik decken zu können, be-steht der Wunsch nach einer generischen Versuchsanlage für moderne Zugbeein-flussungssysteme, die sowohl zur Ausbildung angehender Ingenieure als auch zur Forschung und Weiterentwicklung bestehender Systeme angewendet werden kann. Für die Errichtung dieser Versuchsanlage wird in dieser wissenschaftlichen Arbeit ein Konzept entwickelt. Dabei wird ein generisches Modell des Bahnsystems mit dem Fokus auf moderne Zugbeeinflussungssysteme entwickelt. Hierbei stehen ein modularer Aufbau und die Verwendung von standardisierten Schnittstellen zur Da-tenübertragung im Vordergrund. Die Möglichkeiten zur Umsetzung werden be-schrieben und diskutiert, praktische Anwendungsvarianten werden vorgestellt.

Bei der industriellen Herstellung von Halbleitern, wie Silizium und GaAs erfolgt die Züchtung ausnahmslos aus der Schmelze. Die dabei herrschenden Konvektionsverhältnisse in der Schmelze sind maßgeblich für die Verteilung von Dotierstoffen, Verunreinigungen und Defekten im Kristall verantwortlich. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der RMF- (Rotierendes Magnetfeld) induzierten Strömung auf das Segregationsverhalten, bei der Züchtung von Ga-dotierten Germaniumkristallen nach dem Vertical-Gradient-Freeze Verfahren, numerisch und experimentell untersucht. Durch den Einsatz eines RMF lassen sich Kristalle mit einer verbesserten axialen und radialen Homogenität der Ladungsträgerverteilung herstellen. Weiterhin wurden Untersuchungen zur Schmelzkonvektion und zum Kohlenstofftransport bei der Herstellung von Solarsilizium nach dem Edge-defined Film-fed Growth-Verfahren durchgeführt. Die Ergebnisse der 3d-Modellierung zeigen, dass der Marangonieffekt einen wesentlichen Einfluss auf die Strömungsverhältnisse in der Schmelze und somit auf den Kohlenstofftransport hat.

Bei der Vertical Gradient Freeze-Züchtung von Halbleiterkristallen bis zu einem Durchmesser von 2″ wurde in einer speziell entwickelten Anlage die Beeinflussung des Wärme- und Stofftransports in der Schmelze durch ein rotierendes Magnetfeld (RMF) untersucht. An GaAs- und Ge-Kristallen konnte bei Einwirkung des RMF eine verminderte Durchbiegung der Phasengrenze aufgrund geringerer radialer Temperaturgradienten festgestellt werden. Die Analyse der Segregationsprozesse ergab unter RMF-Einfluss signifikante Änderungen der Ausdehnung der Diffusionsgrenzschicht vor der Phasengrenze. Dies spiegelte sich in einer verbesserten axialen und radialen Homogenität der Ladungsträgerverteilung in den Kristallen wider. Die kritische magnetische Taylor-Zahl, die den Übergang von stationärer zu instationärer RMF-Konvektion charakterisiert, konnte für verschiedene Geometrieverhältnisse der Schmelze experimentell bestimmt werden.

Mineralischen Rohstoffe werden in vielen Industriezweigen verarbeitet. Hierbei ist der notwendige Energieeinsatz zur Zerkleinerung von Gestein von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurden die Mechanismen der spanenden Gesteinszerstörung sowie grundlegende Ansätze der schlagenden Zerstörung von Hartgestein untersucht. Dazu wurde ein Kleinkaliberbohrversuchsstand entwickelt und genutzt, um unterschiedliche Schneidstoffe im Kontakt mit Festgestein zu beproben. Die Beanspruchung der zum Einsatz kommenden Schneidmaterialien orientiert sich an realen spanenden Gesteinsbohrvorgängen und liefert eine hochaufgelöste Datenbasis für grobspanende Bohrverfahren. Weiterhin fanden Tests an einem Fallwerk statt, die zur Untersuchung dynamischer Belastungen auf Bohrmeißelinserts genutzt wurden. Die Experimente wurden durch Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera begleitet und veranschaulichen die Zerstörungsvorgänge in unterschiedlichen Gesteinen. Die Zerspanbarkeiten der Gesteine wurden hinsichtlich der spezifischen Energie, der Flächenpressungen auf die Schneiden und des Verschleißes der Schneidmaterialien bewertet. Vergleichende Bohrversuche mit einem neuen Schneidstoff wurden durchgeführt. Aus der Arbeit konnten Entwicklungstendenzen für den Einsatz neuer Materialien bei der Hartgesteinszerstörung herausgearbeitet werden. Die Untersuchung der Mechanismen bei der spanenden Zerstörung von Festgestein unter atmosphärischen Bedingungen stellt in Zusammenhang mit den Beurteilungskriterien für die Effizienz des Bohrvorganges eine Basis für die praktische Übertragbarkeit auf Anwendung in der Tiefbohrtechnik dar.

In der Erzindustrie findet ein Umdenken statt. Der Einsatz der bewährten aber energieineffizienten Sturzmühlen zur Mittel- und Feinzerkleinerung wird hinterfragt. In der Zementindustrie hat bereits ein vergleichbarer Technologiewandel stattgefunden. In diesem Bereich haben sich vor allem Wälzmühlen auf Grund ihrer Vorteile durchgesetzt. Diese Maschinen stellen auch für die Mahlung von Erzen eine Alternative zu konventionellen Sturzmühlen dar. In der Dissertation werden die Ergebnisse von systematisch durchgeführten Mahlversuchen mit einer Wälzmühle im Pilotmaßstab vorgestellt. Ziel der Untersuchungen mit drei verschiedenen Erzen war es den Einfluss ausgewählter konstruktiver und betrieblicher Parameter auf wichtige Zielgrößen wie Produktfeinheit, Energiebedarf und Verschleiß mit Hilfe von Regressionsmodellen zu quantifizieren und damit die Grundlage für eine Optimierung der Mahlanlage für den neuen Anwendungsbereich zu schaffen.

Bei der industriellen Herstellung von Halbleitern, wie Silizium und GaAs erfolgt die Züchtung ausnahmslos aus der Schmelze. Die dabei herrschenden Konvektionsverhältnisse in der Schmelze sind maßgeblich für die Verteilung von Dotierstoffen, Verunreinigungen und Defekten im Kristall verantwortlich. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der RMF- (Rotierendes Magnetfeld) induzierten Strömung auf das Segregationsverhalten, bei der Züchtung von Ga-dotierten Germaniumkristallen nach dem Vertical-Gradient-Freeze Verfahren, numerisch und experimentell untersucht. Durch den Einsatz eines RMF lassen sich Kristalle mit einer verbesserten axialen und radialen Homogenität der Ladungsträgerverteilung herstellen. Weiterhin wurden Untersuchungen zur Schmelzkonvektion und zum Kohlenstofftransport bei der Herstellung von Solarsilizium nach dem Edge-defined Film-fed Growth-Verfahren durchgeführt. Die Ergebnisse der 3d-Modellierung zeigen, dass der Marangonieffekt einen wesentlichen Einfluss auf die Strömungsverhältnisse in der Schmelze und somit auf den Kohlenstofftransport hat.