Entwicklung eines Dosiergerätes zur Herstellung elektrisch gradierter Mehrschicht-CMCs mit geringen Schichtdicken

Abstract

Die Bedeutung von Gleichstrom- (DC-) Schaltanwendungen zur Leistungsübertragung wird vor dem Hintergrund des Umbaus zu einer klimaneutralen Wirtschaft zukünftig steigen. In Anbetracht dieser Tatsache werden innovative Lösungen in Hinblick auf die Leistungsumsetzung beim Trennvorgang von Gleichstromkontakten benötigt. Mehrschicht-Ceramic-Matrix-Composite- (CMC-) Schaltstrecken scheinen, durch Beständigkeit gegen Thermoschock und einstellbarer Leitwerte, als vielversprechende Werkstoffklasse zum Einsatz in elektrischen DC-Schaltgeräten. Gleichmäßige Materialeigenschaften innerhalb einer Schicht sind zur Steuerung wegabhängiger Leitwerte essenziell. In dieser Arbeit wird ein Gerät zur flächigen Ablage von pulverförmigen Faser-Harz-Mischungen in ein Gesenk mit Abmaßen von 100 x 110 mm2 entwickelt. Ziel der Arbeit ist die Steigerung der Schichtqua- lität zur präzisen Ablage von Schichten mit definierten Leitwerteigenschaften, um den Leitwertverlauf von Mehrschicht-CMC-Schaltstrecken genau zu steuern. Der bisherige Stand der Technik, welcher die manuelle Materialablage in das Gesenk umfasst, wird durch eine mechanisierte, axial verfahrende, linienförmige Ablageeinheit verbessert. Zur Bewertung der Einsatzfähigkeit des Gerätes werden Proben mit zwei kontrastierenden Faser-Harz-Mischungen abwechselnd schichtweise in das Gesenk abgelegt und im Anschluss zur Formgebung heiß gepresst. Mit einem in dieser Arbeit entwickelten analytischen Ansatz zur Bildauswertung wird die Geradheit von Grenzschichtlinien zwischen zwei Schichten, die Parallelität, die Schichthomogenität und die Schichtdicke der hergestellten Proben bestimmt und mit einer von Hand hergestellten Referenzprobe verglichen. Mit dem konzipierten Gerät gelingt es Proben mit halber Schichtdicke von 0,42 mm herzustellen, ohne die Schichthomogenität von 78 % zu reduzieren. Bei Proben gleicher Schichtdicke von 0,84 mm, wie die von Hand hergestellte Variante, reduziert sich der Fehler der Schichthomogenität mit 53 % um mehr als die Hälfte. Mit diesen Verbesserungen erweist sich der gewählte Lösungsansatz als einsatzfähig für die vorgesehene Anwendung.