Studentische Arbeiten

Aufgabenstellung

Bisherige Nachweise von verschiedenen Molekülen und Proteine basieren oft auf der Detektion von isotropen Fluoreszenzsignalen. Um diese Signale zu richten und zu verstärken, können durch metallische Schichten und eine Anregung im sichtbaren Wellenlängenbereich die sogenannten Oberflächenplasmonen angeregt und deren Emission gemessen werden. Zur weiteren Verstärkung der Plasmonen werden bereits verschiedene Nanostrukturen eingesetzt. Das Ziel dieser Arbeit ist es mittels Simulation eine Nanostruktur so auszulegen, dass eine größtmögliche Verstärkung dieser Oberflächenplasmonenemission erreicht werden kann. Dazu sollen zu Beginn mögliche Designs von Nanostrukturen recherchiert und anhand dieser Einarbeitung eine Auswahl an Designs entworfen werden. Es folgt die Simulation und der anschließende Vergleich der Designs hinsichtlich der Verstärkung und Herstellbarkeit. Abschließend wird die am besten geeignetste Nanostruktur hergestellt und die Verstärkung gemessen.

Von großem Vorteil bei dieser Arbeit sind bereits vorhandene Simulationskenntnisse, vor allem im Bereich der optischen Simulation.

Einzeltätigkeiten

• Einarbeitung ins Thema Nanostrukturen zur Verstärkung von Oberflächenplasmonen-emission und optische Simulationen
• Aus der Einarbeitung abgeleitete Designs verschiedener Strukturgeometrien entwerfen
• Simulation der Nanostrukturen mit dem Ziel einer maximalen Verstärkung
• Vergleich und Bewertung der Nanostrukturen hinsichtlich Verstärkung und Herstellbarkeit
• Herstellung der am besten geeignetsten Nanostruktur und Vermessung der Verstärkung mittels bereits vorhandenem Messaufbaus

Beginn: ab sofort

Ihr Ansprechpartner am IFM:
Rebecca Vornweg, M.Sc.
Allmandring 9 b
70569 Stuttgart
Tel.: (0711)685-61886
E-Mail: rebecca.vornweg(at)ifm.uni-stuttgart.de

Aufgabenstellung

Zur Erforschung von Grenzstandsensoren, bei denen die magnetischen Eigenschaften von den zu erfassenden para- oder diamagnetischen Medien ausgenutzt werden sollen, soll ein NV-basierter Quantenmagnetometer verwendet werden, dessen zentrales Sensorelement ein Diamant ist.

Hierzu ist es nötig, ein äußeres Magnetfeld aufzuprägen, das die geringen magnetischen Suszeptibilitätsänderungen beim Medienwechsel durch eine Behälterwandung hindurch auf der Außenseite soweit verstärkt, dass sie eine ausreichend hohe B-Feldänderung mit sich bringt.

Hierzu sind Konzepte zur Führung des Magnetfeldes unter Zuhilfenahme von Magnetfeldsimulationen zu entwickeln und diese durch reale Testaufbauten zu verifizieren.

Einzeltätigkeiten

1. Literaturrecherche und Einarbeitung in Magnetismus und Magnetfeldführungen
2. Konzeptionierung und Aufstellen einer Magnetfeldsimulation
3. Optimierung über Simulation und Auswahl der besten Konzepte
4. Realer Testaufbau zum Abgleich mit Simulationen
5. Schriftliche Ausarbeitung

Beginn: ab sofort möglich

Ihr Ansprechpartner am IFM:
Robert Molitor, M.Sc.
Allmandring 9 b, 70569 Stuttgart
Tel.: (0711)685-84799
E-mail: robert.molitor(at)ifm.uni-stuttgart.de

Aufgabenstellung
Am IFM und Hahn-Schickard wird der Einsatz additiv gefertigter Spritzgusswerk-zeuge am Beispiel von Soft-Tooling Komponenten erforscht. Zur induktiven Temperierung der Kavität wurden in vorangegangen Arbeiten Nickel beschichtete Werkzeuge aufgebaut und charakterisiert. Die Spritz-gussversuche zur Evaluierung der Standfestigkeit stehen dazu jedoch noch aus. Zudem ist der Herstellungsprozess der Nickelschichten teilweise noch sehr aufwändig. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die vorhandenen Einsätze auf einer Spritzgussmaschine realen Belastungen auszusetzen und die Ergebnisse zu beurteilen. Weiterhin soll ein abgewandelter Herstellungsprozess erarbeitet werden und mit diesem Prozess ein neues Werkzeug aufgebaut und getestet werden.

Einzeltätigkeiten

• Einarbeitung in die relevante Literatur 
• Lebensdauerversuch mit den bereits existierenden Formeinsätzen für Spritzgießwerkzeug (an Spritzgießanlage von Hahn-Schickard oder dem Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF))
• Erarbeitung eines abgewandelten Fertigungsprozesses für die Nickelschichten und Charakterisierung hergestellter Schichten
• Aufbau weiterer Formeinsätze für Spritzgießwerkzeug und erneuter Spritzgießversuch
• Auswertung und Diskussion der Ergebnisse hinsichtlich aus der Literatur und Vorversuch ermittelter VersuchsergebnisseDokumentation der Arbeit als stud. Arbeit nach IFM-Richtlinien

Literaturhinweise
Vieten et al., Soft Tooling-Friendly Inductive Mold Heating - A Novel Concept https://doi.org/10.3390/mi12040454

Beginn: ab sofort

Ihr Ansprechpartner am IFM:
Holger Rühl, M.Sc.
Allmandring 9 b
70569 Stuttgart
Tel.: (0711)685-61894
E-Mail: holger.ruehl(at)ifm.uni-stuttgart.de

Aufgabenstellung

Rasterelektronen (SEM)-Focused Ion Beam (FIB)-Zweistrahlsysteme ermöglichen eine Vielzahl an Anwendungen zur Bearbeitung oder Charakterisierung von Werkstoffen.

Ein Anwendungsgebiet von REM-FIB-Systemen zur Charaktierisierung ist die Tomographie. Hierbei werden an einem Material nacheinander mehrere nm-dicke Schnitte durchgeführt, wobei von jedem Schnitt mittels der SEM-Einheit ein Bild erstellt wird. Durch Serial Sectioning aller Bilder kann ein 3D-Bild (Stack) erzeugt werden. Das 3D-Bild kann dann beispielsweise zur Bestimmung von Porosität oder Kornorientierung des Materials verwendet werden.

Am IFM ist ein FIB-SEM Helios NanoLab600 der Firma Thermofisher vorhanden. Am IFM/Hahn-Schickard werden Werkstoffe verarbeitet, die im nm/µm-Maßstab porös sind. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine systematische Literaturrecherche zur FIB-SEM-Tomographie für die Charakterisierung poröser Medien durchgeführt werden. Die Recherche soll aufzeigen, welche Planungsschritte für a) die FIB-Bearbeitung, b) die Datenaufbereitung der Bilder (Stacking) und c) die Porositätsanalyse am IFM noch durchzuführen sind.

Die Recherche soll somit als Grundlage dienen, praktische Tomographie-Versuche am Institut zukünftig zu planen und durchzuführen.

Einzeltätigkeiten

1) Literaturrecherche zu Einzelthemen:

• Grundlegende Schritt-für-Schritt-Ablauf der FIB-Tomographie
• Probenvorbereitung für FIB-Bearbeitung
• Was ist bei der Erzeugung von dünnen FIB-Schnitten zu beachten, z.B. Verfahrensparameter, welche Effekte können auftreten?
• Wie wird Serial Sectioning durchgeführt und welche Softwarelösungen nutzt die Wissenschaft (Software zum Kauf, eigens geschriebene Programme)?
• Wie wird Porositätsbestimmung durchgeführt?

2) Zusammenfassen aller Erkenntnisse

3) Ableiten von Panungsschritten für FIB-Tomographie am IFM

4) Anfertigung einer wiss. Arbeit nach den IFM-Vorgaben

Beginn: ab sofort

Ihr Ansprechpartner am IFM:
Holger Rühl, M.Sc.
Allmandring 9 b, 70569 Stuttgart
Tel.: (0711)685-61894
E-mail: holger.ruehl(at)ifm.uni-stuttgart.de

Aufgabenstellung

Die Hydrophobizität beschreibt die Ausprägung der Wasserabweisung von Oberflächen. Die Hydrophobizität einer (strukturierten) Oberfläche kann experimentell bestimmt werden, wobei jedoch der Aufwand von Substratherstellung, Messung der Hydrophobizität und Auswertung der Messung zu erbringen ist. Ein alternativer Ansatz ist die Vorabverwendung von Computational Fluid Dynamics-Simulation (CFD).
Im Rahmen dieser Arbeit soll, nach Einarbeitung in die Thematik mittels Literaturrecherche, ein CFD-Simulationsmodell zur Analyse der Benetzbarkeit von Oberflächen erstellt werden. Die Eignung des Simulationsmodells ist experimentell durch einfache Kontaktwinkelmessungen am Institut zu validieren. Weiterhin ist ein Versuchsplan zu erstellen, der unterschiedliche Strukturen umfasst. Die Strukturen sollen anschließend mit dem erstellten Simulationsmodell auf ihre Hydrophobizität analysiert werden. Die Ergebnisse sind abschließend zu diskutieren.

Einzeltätigkeiten

• Literaturrecherche
  • zum Stand der Technik von strukturierten Stahloberflächen mit superhydrophoben Eigenschaften
    o zur Ermittlung des Stands der Technik der Auslegung von superhydrophoben Oberflächen mittels CFD-Simulation
  • Aufbau eines CFD-Simulationsmodell zur Berechnung der Benetzung von Oberflächen
• Validierung des Simulationsmodells mittels Kontaktwinkelmessungen am Beispiel von poliertem Formarbeitsstahl
• Design of Experiments (DoE) von unterschiedlichen Mikrostrukturgeometrien –und dimensionen
• Simulation der definierten Mikrostrukturen zur Vorhersage der jeweiligen Hydrophobizität
• Auswertung und Diskussion der Ergebnisse
• Optional (bei ausreichend verbleibender Zeit): Externe Herstellung einer strukturierten Oberfläche zur Validierung der Simulationsergebnisse
• Dokumentation der Ergebnisse in einer schriftlichen Ausarbeitung nach den IFM-Richtlinien

Beginn: ab sofort möglich

Ihr Ansprechpartner am IFM:
Holger Rühl, M.Sc.
Allmandring 9 b, 70569 Stuttgart
Tel.: (0711)685-61894
E-mail: holger.ruehl(at)ifm.uni-stuttgart.de
Co-Betreuung: Romit Kulkarni, M.Sc.

Literaturempfehlung:

• Wang et al. A designable surface via the micro-molding process Microsystems & Nanoengineering 2018 (4)
• Yang et al. Droplet Impact Simulation of Hydrophobic Patterned Surfaces by Computed Fluid Dynamics Academic Journal of Engineering and Technology Science 2018

Aufgabenstellung

Mikrosystemtechnik hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Arbeitsfeld in Deutschland entwickelt. Dies ist der stetig steigenden Anzahl der Elektronikentwicklungen zuzuschreiben, welche in vielen Branchen vom Automobil über Mobiltelefone bis hin zu medizinischen Geräten wiederzufinden sind. So führten beispielsweise die steigenden Anforderungen hinsichtlich Sicher-heit, Umweltschutz und Komfort im Automobile in den vergangenen Jahren zu einem Anstieg der Funktionen im Fahrzeug.
Daher benötigen die elektronischen Komponenten Gehäuselösungen, die bei gleichzeiti-ger Erfüllung der Anforderungen um die thermomechanische Robustheit und Zuverlässigkeit auch kostengünstig herzustellen sind. Dementsprechend zielen viele Neuentwick-lungen darauf ab, derartige Gehäuselösungen durch Verkapselung der Gesamtsysteme zu realisieren.

Bei der Verkapselung werden alle elektroni-schen Bauteile eines Gesamtsystems mit-hilfe einer Vergussmasse vollständig eingebettet. Dies schützt das Gesamtsystem vor Umwelteinflüssen und verringert zudem die Auswirkungen mechanischer Stöße und Vib-rationen, wodurch der Einsatz in rauen Umgebungen ermöglicht wird.
Bei Neuentwicklungen von Verkapselungslösungen stellt der nicht vorhandene Zugang an Kunststoffverarbeitungsanlage den größ-ten Kosten- und Zeitfaktor dar und verhindert bisher, dass Klein- und Mittelstandsunter-nehmen (KMU) ihre Entwicklung anhand von Prototypen zeitnah und kostengünstig über-prüfen können. Dieselbe Problematik betrifft die Herstellung bei geringen Losgrößen bis hin zur Losgröße 1, wie es beispielsweise bei personalisierten Produkten zunehmend an Bedeutung gewinnt.
Daher sollen im Rahmen der Arbeiten eine händisch zu bedienende hydraulische Spritzgussmaschine für die Duroplastverarbeitung entwickelt und aufgebaut werden.

Einzeltätigkeiten

• Recherche über bestehende Anlagen
• Entwicklung, Konstruktion und Aufbau einer händisch bedienbaren hydraulischen Spritzgussmaschine
• Auswahl von Normteilen für den Aufbau
• Durchführung von Spritzgießversuchen
• Untersuchungen der hergestellten Bauteile im Umwelttest mit anschließender Charakterisierung
• Auswertung der Ergebnisse

Beginn: ab sofort

Ihr Ansprechpartner bei Hahn-Schickard:
M. Sc. Mehmet Haybat
Allmandring 9 b
70569 Stuttgart
Tel.: 0711 685-84809
E-Mail: Mehmet.Haybat(at)Hahn-Schickard.de

Aufgabenstellung

Im Rahmen der Elektrifizierung im Automobilbau steigt der Einsatz von Sensoren zur Steuerung der Sicherheits- und Komfortsysteme stetig. Eine Herausforderung stellt dabei die Verkapselung von empfindlichen elektronischen Bauteilen, welches vor Umwelteinflüsse schützen soll.

In den letzten Jahren hat die Elektronikver-kapselung mittels duroplastischen Formmassen aufgrund deren vorteilhaften Eigenscha-ten immer mehr an Bedeutung gewonnen. Die duroplastischen Formmassen lassen sich unter anderem im Spritzgussverfahren verarbeiten und bieten einen ausreichenden Schutz der elektronischen Bauteile.
Allerdings können Bindenähte beim Umspritzen komplexer Geometrien fast nicht vermieden werden. Die daraus resultierende Bauteilschwächung ist vor allem bei strukturrele-vanten Bauteilen nicht zulässig, sodass die Bauteile häufig überdimensioniert werden. Aus diesem Grund ist die Charakterisierung von Bindenahteigenschaften ein Thema mit hoher Relevanz für die industrielle Praxis.
Mithilfe der Spritzgießsimulation kann das Entstehen und die Lage der Bindenaht vorhergesagt werden. Daher sollen im Rahmen dieser Arbeit Werkzeuglösungen entwickelt und Bindenahtfestigkeiten untersucht werden.

Einzeltätigkeiten

• Auswahl geeigneter duroplastischen Formmassen Materialien
• Durchführung von Spritzgießsimulationen
• Durchführung von Spritzgießversuchen
• Ermittlung der Bindenahtfestigkeit an ausgewählten Formmassen mittels Zugstab an der Zwick Anlage
• Entwicklung von Werkzeuglösungen für die Reduzierung von Bindenähten
• Statistische Auswertung der Einflüsse von Prozessgrößen auf die Bauteilqualität
• Ableitung von Prozess- und Gestaltungsrichtlinien

Beginn: März 2023

Ihr Ansprechpartner bei Hahn-Schickard:
M. Sc. Mehmet Haybat
Allmandring 9 b
70569 Stuttgart
Tel.: 0711 685-84809
E-Mail: Mehmet.Haybat(at)Hahn-Schickard.de

Aufgabenstellung

Bei der Duroplastverkapselung werden elektronische Bauteile, unter anderem, mittels Epoxy Molding Compounds (EMC) im Spritz-gussverfahren verkapselt, um diese gegen-über Umwelteinflüsse zu schützen. Meist kommen dabei Leiterplatten als Substratträger zum Einsatz, worauf die Elektronik bestückt wird.

Der Herstellungsprozess einer Leiterplatte beginnt mit der Wahl des Basismaterials beispielsweise FR4, welches in unterschiedlichen Dicken verfügbar ist. Hierbei wird die endgültige Dicke der fertigen Leiterplatte durch verschiedene Faktoren beeinflusst, daher wird eine Toleranz hierfür angewendet. Eine typische Dickentoleranz für FR4 ist ±10 % auf den Nominalwert. Ein Basismaterial von 1,00 mm kann also tatsächlich zwischen 0,90 mm und 1,10 mm dick sein.

Die bei der Elektronikverkapselung verwendeten EMC-Materialien, sind niedrigviskoser im Vergleich zu thermoplastischen Kunststoffen. Sodass die Leiterplattendicke sehr starke Auswirkungen auf die Bauteilqualität der Verkapselung mit sich bringt. So führen dünnere Leiterplatten zur Überspritzung und zu dickere Leiterplatten zu Beschädigung am Werkzeug oder am eingelegten Bauteil. Ziel dieser Arbeit ist die Implementierung ei-nes Foliensystems in ein bestehendes Spritzgusswerkzeug, um die Dickenunter-schiede der Leiterplatten zu kompensieren.

Einzeltätigkeiten

• Erweiterung der Konstruktion an einem bestehenden Spritzgusswerkzeug
• Implementierung eines Foliensystems für Auswerfer- und Düsenseite
• Untersuchungen zur Abmusterung mit-tels Foliensystem
• Vermessung und Charakterisierung der Bauteilqualität

Beginn: ab sofort

Ihr Ansprechpartner bei Hahn-Schickard:
M. Sc. Mehmet Haybat
Allmandring 9 b
70569 Stuttgart
Tel.: 0711 685-84809
E-Mail: Mehmet.Haybat(at)Hahn-Schickard.de

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