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Diplom- und Master-Arbeiten (eigene und betreute):

A. Wagner:
"Efficient Finite Element Modelling of Residual Stresses in Multilayer Coatings";
Betreuer/in(nen): H. J. Böhm, M. Todt; Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik, TU Wien, 2017; Abschlussprüfung: 22.06.2017.



Kurzfassung deutsch:
Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines effizienten Finite-Elemente-Modells zur Simulation von Multilayer-Beschichtungen bestehend aus einigen hundert Einzelschichten mit Dicken im Nanometer-Bereich. Diese Beschichtungen werden mithilfe von Verfahren der phsyikalischen Dampfphasenabscheidung auf ein Substratmaterial aufgebracht. Beim Fertigungsprozess entstehen Eigenspannungen sowohl in der Beschichtung als auch im Substratmaterial. Erreichen diese eine Größenordnung von einigen GPa, kommt es zu Deformationen, welche Schädigung oder Versagen des Materials zur Folge haben können. Die Eigenspannungen sind einerseits bedingt durch den Schichtwachstumsprozess, andererseits entstehen thermische Spannungen beim Abkühlen des Materials von der Fertigungs- auf Raumtemperatur.

Das Finite Elemente Modell soll dazu dienen, den Einfluss der Fertigungsprozessparameter auf den Spannungszustand der Schichten und des Substrats zu bestimmen.

Ein dreidimensionales Modell wurde erstellt und für das Fertigungsverfahren typische Bedingungen wurden eingebracht. Besonderes Augenmerk wurde auf die Recheneffizienz der Simulation gelegt. Erreicht wurde diese durch den Einsatz von Schalenelementen zur Modellierung der einzelnen Schichten, welche mittels Kohäsivzonenelementen gekoppelt wurden. Weiters wurde zur Recheneffizienzsteigerung mithilfe von periodischen Randbedingungen eine unendlich große Platte modelliert. Dies ist aufgrund der Größe des Verhältnisses zwischen Bauteildicke und der lateralen Ausdehnung eine gute Näherung. An diesem Modell wurden die fertigungsbedingten Eigenspannungen in Abhängigkeit einiger Parameter, wie Beschichtungs- und Substratmaterial, analysiert.

Um den Einfluss eines freien Randes mitzuberücksichtigen, wurden die Randbedingungen modifiziert und die Auswirkungen auf den Spannungszustand im Interface untersucht.

Kurzfassung englisch:
The aim of this thesis is the development of an efficient finite element model to simulate multilayer systems comprising several hundred layers. These layers, each being a few nanometers thick, are deposited onto a substrate material by physical vapor deposition processes. After the manufacturing process residual stresses in the coating as well as in the substrate can be observed. Reaching a value of several GPa, the residual stresses lead to deformations and can result in damage or failure of the multilayer system. The stresses are induced primarily by two effects. Stresses originating from the film growth process contribute to the overall residual stress state. Furthermore, thermal stresses arise when cooling down the multilayer system from manufacturing conditions.

The finite element model should enable to determine the influence of process parameters on the residual stress state in the individual layers and the substrate.

A three dimensional model was developed and typical process conditions were applied. Special emphasis was laid on the computational efficiency of the simulation. This was achieved by modelling the individual layers with shell elements in conjunction with cohesive zone elements. Furthermore an infinite plate was modelled by applying periodic boundary conditions. This approach is reasonable due to the large ratio of lateral dimensions to thickness. Using this model, the influence of parameters, like layer and substrate material, on the residual stress state can be analysed.

In order to further consider the effect of a free edge on, the boundary conditions were modified and the influence on the interface stress state was investigated.

Erstellt aus der Publikationsdatenbank der Technischen Universitšt Wien.