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Nanotechnology is now recognized as one of the most promising areas for technological
development in the 21st century. In materials research, the development of
polymer nanocomposites is rapidly emerging as a multidisciplinary research activity
whose results could widen the applications of polymers to the benefit of many different
industries. Nanocomposites are a new class of composites that are particle-filled
polymers for which at least one dimension of the dispersed particle is in the nanometer
range. In the related area polymer/clay nanocomposites have attracted considerable
interest because they often exhibit remarkable property improvements when
compared to virgin polymer or conventional micro- and macro- composites.
The present work addresses the toughening and reinforcement of thermoplastics via
a novel method which allows us to achieve micro- and nanocomposites. In this work
two matrices are used: amorphous polystyrene (PS) and semi-crystalline polyoxymethylene
(POM). Polyurethane (PU) was selected as the toughening agent for POM
and used in its latex form. It is noteworthy that the mean size of rubber latices is
closely matched with that of conventional toughening agents, impact modifiers.
Boehmite alumina and sodium fluorohectorite (FH) were used as reinforcements.
One of the criteria for selecting these fillers was that they are water swellable/
dispersible and thus their nanoscale dispersion can be achieved also in aqueous
polymer latex. A systematic study was performed on how to adapt discontinuousand
continuous manufacturing techniques for the related nanocomposites.
The dispersion of nanofillers was characterized by transmission, scanning electron
and atomic force microcopy (TEM, SEM and AFM respectively), X-ray diffraction
(XRD) techniques, and discussed. The crystallization of POM was studied by means
of differential scanning calorimetry and polarized light optical microscopy (DSC and
PLM, respectively). The mechanical and thermomechanical properties of the composites
were determined in uniaxial tensile, dynamic-mechanical thermal analysis
(DMTA), short-time creep tests, and thermogravimetric analysis (TGA).
PS composites were produced first by a discontinuous manufacturing technique,
whereby FH or alumina was incorporated in the PS matrix by melt blending with and
without latex precompounding of PS latex with the nanofiller. It was found that direct melt mixing (DM) of the nanofillers with PS resulted in micro-, whereas the latex mediated
pre-compounding (masterbatch technique, MB) in nanocomposites. FH was
not intercalated by PS when prepared by DM. On the other hand, FH was well dispersed
(mostly intercalated) in PS via the PS latex-mediated predispersion of FH following
the MB route. The nanocomposites produced by MB outperformed the DM
compounded microcomposites in respect to properties like stiffness, strength and
ductility based on dynamic-mechanical and static tensile tests. It was found that the
resistance to creep (summarized in master curves) of the nanocomposites were improved
compared to those of the microcomposites. Master curves (creep compliance
vs. time), constructed based on isothermal creep tests performed at different temperatures,
showed that the nanofiller reinforcement affects mostly the initial creep
compliance.
Next, ternary composites composed of POM, PU and boehmite alumina were produced
by melt blending with and without latex precompounding. Latex precompounding
served for the predispersion of the alumina particles. The related MB was produced
by mixing the PU latex with water dispersible boehmite alumina. The composites
produced by the MB technique outperformed the DM compounded composites in
respect to most of the thermal and mechanical characteristics.
Toughened and/or reinforced PS- and POM-based composites have been successfully
produced by a continuous extrusion technique, too. This technique resulted in
good dispersion of both nanofillers (boehmite) and impact modifier (PU). Compared
to the microcomposites obtained by conventional DM, the nanofiller dispersion became
finer and uniform when using the water-mediated predispersion. The resulting
structure markedly affected the mechanical properties (stiffness and creep resistance)
of the corresponding composites. The impact resistance of POM was highly
enhanced by the addition of PU rubber when manufactured by the continuous extrusion
manufacturing technique. This was traced to the dispersed PU particle size being
in the range required from conventional, impact modifiers.
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe verfügen über eine hervorragende Leichtbaugüte
und weisen unter zyklischer Beanspruchung ein gegenüber metallischen
Werkstoffen günstigeres Schwingermüdungsverhalten auf. Aus diesen Gründen
erlangen derartige Konstruktionswerkstoffe zunehmend an Bedeutung für maschinenbauliche
Anwendungen, bei denen die tragenden Strukturen zeitweise hohe
Beschleunigungen erfahren und über die Einsatzdauer oftmals durch sich wiederholende
Belastungsfolgen beansprucht werden. Innerhalb des Entwicklungsprozesses
solcher Strukturen reicht eine globale strukturmechanische Auslegung meist nicht
aus. Vielmehr müssen für das Erzielen einer optimierten und wirtschaftlichen Lösung
strukturelle Details, wie insbesondere lokale Lasteinleitungen, sorgfältig betrachtet
werden. Darüber hinaus ist die Kenntnis der voraussichtlichen Einsatzdauer (Lebensdauer)
der Struktur inklusive der Anbindungspunkte sowohl aus Kostensicht als
auch aus Sicherheitsaspekten erforderlich. Für den konstruierenden Ingenieur
müssen daher robuste und zuverlässige Lasteinleitungslösungen entwickelt und
aussagefähige Berechnungswerkzeuge zur Lebensdauervorhersage von Faser-
Kunststoff-Verbunden bereitgestellt werden.
Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden für Getriebekomponenten in Kohlenstofffaser-
Verbund-Bauweise anforderungsgerechte Lösungen zur Einleitung hoher
zyklischer Kräfte erarbeitet. Dabei wurden die Integration von Zylinderrollenlagern
durch mechanisches Einpressen und das Tragverhalten von direkt in den Verbund
eingeschraubten Gewindeeinsätzen untersucht. Zur Auslegung der Lagerfügung
wurde ein analytisches Modell entwickelt, anhand dessen die erforderlichen Passungstoleranzen
ermittelt und die daraus resultierende Fugenpressung abgeschätzt
werden konnte. Weiterhin konnte mit Hilfe von Lichtmikroskopieuntersuchungen ein
schädigungsfreies Fügen des Lagers nachgewiesen werden. Anhand quasistatischer
Auszugsversuche an repräsentativen Probekörpern mit eingeschraubten
Gewindeeinsätzen wurde das charakteristische Tragverhalten der gewählten Verschraubung
beschrieben. Durch Auszugversuche nach zyklischer Vorbelastung
konnte eine Resttragfähigkeit der Verbindung abgeschätzt werden, die im Betrag
deutlich über der im Betrieb einzuleitenden Anbindungskraft liegt. Der abschließende
Tragfähigkeitsnachweis der entwickelten Lasteinleitungslösungen erfolgte an Getriebekomponenten mit mechanisch gefügten Lagern und eingeschraubten Gewindeeinsätzen
in einem Technikumsprüfstand unter realen Betriebsbedingungen.
Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit stellte die Erweiterung der Methodik zur
rechnerischen Lebensdauervorhersage von Mehrschichtverbunden unter Schwingermüdungsbeanspruchung
durch die Berücksichtigung werkstofflicher Nichtlinearitäten
und Delaminationsschädigungen dar. Die Modellierung des nichtlinearen Werkstoffverhaltens
erfolgte dabei basierend auf einer experimentellen Charakterisierung
eines zähmodifizierten Vinylester-Urethan-Hybrid-Harzsystems mit Kohlenstofffaserverstärkung.
In der Modellierung wurde das nichtlineare Verhalten der für die Lebensdauerberechnung
relevanten Werkstoffkenngrößen erfasst. Darüber hinaus
wurde der Steifigkeitsabfall eines quasi-isotropen Laminats unter Einstufenbelastung
experimentell bestimmt und anhand einer geeigneten mathematischen Formulierung
beschrieben. Aufgrund von dabei beobachteten großflächigen und mitunter vollständigen
Schichttrennungen wurde ein Ansatz zur mechanischen Beschreibung von
Laminaten mit Delaminationsschädigungen auf Grundlage der Klassischen Laminattheorie
entwickelt. Ein vorhandenes Lebensdaueranalyseprogramm auf dem
Prinzip des „critical element“-Konzepts wurde um einen Berechnungskern zur
schichtenweisen Versagensanalyse ergänzt. Die genannten Erweiterungen umfassten
Module zur nichtlinearen Spannungsanalyse auf Basis der Sekanten-Modul-
Iterationstechnik, zur Vorhersage von Zwischenfaserbruch-Versagen nach dem
Wirkebenenkriterium von Puck und zur Degradation von Steifigkeitskomponenten
nach dem Auftreten von Zwischenfaserbrüchen.
Anhand einfacher Berechnungsbeispiele wurde nachfolgend der Einfluss der werkstofflichen
Nichtlinearitäten auf die rechnerische Lebensdauervorhersage untersucht.
Abschließend erfolgte die Nachrechnung von Versuchsergebnissen am quasiisotropen
Laminat unter quasi-stochastischer Belastung (miniTWIST), wobei im
Allgemeinen eine sehr gute Übereinstimmung der rechnerischen Vorhersage mit
Versuchsergebnissen festgestellt wurde.
For almost thirty years bast fibers such as flax, hemp, kenaf, sisal and jute have been
used as reinforcing material in the molding process of both thermoplastic and thermoset
matrices. The main application areas of these natural fiber reinforced composites
in Europe are limited almost exclusively to the passenger car range. Typical
components are door panels, rear parcel shelves, instrument boards and trunk linings.
Natural fiber reinforced composites have become prevalent due to their good
mechanical properties and their low production costs. The main advantage in applying
natural fibers as reinforcement in composite materials is the price. Nowadays this
argument becomes more and more important due to the scarcity of synthetic raw materials
and consequently, their rising prices. Additionally the low density (approx.
1.5 g/cm³) of natural fibers confers them a very good lightweight potential. Other advantageous
features of natural fiber composites include very good processing and
acoustic properties. Further benefits such as good life cycle assessment and easier
processability compared to glass fiber material should also be taken into account.
Disadvantages of natural fibers are unevenness of the fiber quality and varying fiber
characteristics due to differences in soil, climate and fiber separation and their low
heat resistance (at temperatures exceeding 220 °C, some fiber components start
thermal degradation). Another disadvantage of natural fiber reinforced materials is
that with some matrices (mostly thermoplastic polymers) a sufficient impregnation of
the fibers can only be achieved if the fiber content in the composite is kept low, usually
below 50 wt.-%. Under these conditions the best performance of the natural fiber
reinforcement can not be realized. Another disadvantage of non-impregnated thermoplastic
prepregs is the long processing cycle times, which result from heating up
the enclosed air in the prepreg during the process. Alternatively pure natural fiber
based non-woven fabrics are impregnated with thermoset systems. Due to the relatively
simple handling compared to alternative procedures, the thermoforming of thermoset
bonded prepregs is a very promising method for manufacturing natural fiber
reinforced components.
In this work, a novel general concept for natural fiber reinforced composites with a
natural fiber content of approx. 80 wt.-% and a thermoset matrix is developed. A suitable
material combination as well as an optimal process execution that help to meet the technical requirements for the natural fiber reinforced composites will be demonstrated.
Hemp and kenaf have been chosen as reinforcement fibers. In this work it is shown
that hemp and kenaf can be used as successful reinforcement alternatives to the
more established flax fibers in composite materials. Short flax fibers, which are commonly
used as reinforcement in composites (approx. 67 % for the German automotive
applications), are the “waste” of the long fiber production and their availability
and price strongly depend on the demand of the long fibers from the textile industry
and therefore their cost can strongly fluctuate, as it has been demonstrated in the
past few years. In contrast fiber plants such as hemp and kenaf are especifically cultivated
for technical applications and their availability and price is much more stable.
For their application a profound knowledge of the structural and mechanical properties
of the fibers is indispensable. In this work single filament tensile tests on these
two types of natural fibers are carried out. The cross-section area of both fibers, necessary
for the calculation of the tensile properties, was intensively studied using light
microscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis. Because the occurrence
of flaws within the fiber is random in nature, tensile strength data of these fibers
was statistically analyzed using the Weibull distribution. The strengths were estimated
by means of Weibull statistics and then were compared to experimentally
measured strengths.
For a better handling of the material, both kenaf and hemp fibers were manufactured
to needle punched fiber mats. For the impregnation of the natural fiber mats, a Foulard-
process with the thermoset matrix as an aqueous solution was employed. The
reproducibility of this impregnation process was examined. Different matrix systems
with different chemical compositions were applied on the needle punched fiber mats.
The impregnated prepregs were heated and consolidated to components in a onestep-
process. A big advantage of this procedure is the short cycle times, since no
additional pre-heating process is required, in contrast to thermoplastic bonded prepregs.
Additionally, a parameter study of the mechanical properties of the composites
was performed. The best matrix system satisfying the work conditions and properties
of the composites was chosen to carry out the next working step, namely optimization of the compression molding process for the thermoset bonded natural fiber prepregs.
Apart from the material composition of prepregs, general processing parameters
such as temperature, time and pressure play a decisive role for the quality of structures
made of natural fiber reinforced polymers. The impregnated prepregs were
consolidated in a one-step-process to components. A systematic parameter study of
the influence of the relevant process parameters on the characteristics of manufactured
components was performed. Mould temperatures over 200 °C lead to thermal
degradation of the fibers. This temperature should not be exceeded when working
with natural fibers. Furthermore, the composites clearly display a dependence on the
processing pressure. The flexural properties increase with increasing manufacturing
pressures between 15 and 60 bar, reaching a maximum at 60 bar. At higher pressures
(80 to 200 bar) a decrease of the flexural properties is demonstrated. SEM images
of the fracture surface of the composites show that the decrease of the mechanical
properties is related to structural damage of the fiber.
A new technology allowing pressing under vacuum conditions was developed and
tested. The press is equipped with a vacuum chamber and achieves very short cycle
processing times (up to less than one minute during the compression molding). The
aspiration connections of the vacuum chamber ensure that the residual moisture and
the condensation products of the matrix chemical reaction could be directly evacuated.
This type of press ensures also very safe processing and working conditions.
The properties of the components fulfill the technical specifications for natural fiber
reinforced polymers for use in the car interior. This versatile composite material is not
only limited to automotive applications, but may also be used for product manufacturing
in other industries. This work shows that the process parameters can be optimized
to fit a particular application.
Faser-Kunststoff-Verbunde sind aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und
Formgebungsmöglichkeiten der Trendwerkstoff im Rahmenbau von Hochleistungs-
Sportfahrrädern. Hierbei ermöglicht die zunehmende Berücksichtigung von Leichtbau-
Technologien eine Erhöhung der Leistungs-Gewichts-Relation, um den stetig
wachsenden Anforderungen an die Fahreigenschaften, die Haltbarkeit und das Gewicht
gerecht zu werden.
Ein geschichtlicher Rückblick über die letzten Jahrzehnte im Fahrradrahmenbau
zeigt eine deutliche Gewichtsreduktion bei steigender Funktionalität. Besonders der
Einsatz neuartiger Werkstoffe ermöglichte immer wieder eine wesentliche Erhöhung
der Leichtbaugüte. In den Anfängen begannen die Rahmenhersteller mit Gusseisen,
anschließend wurde Stahl verwendet und schließlich Leichtmetalle, wie Aluminium.
Die derzeit leichtesten Rahmen werden aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
gefertigt.
Die Anwendung von Faser-Kunststoff-Verbunden ist deutlich komplexer und fordert
eine integrierte Betrachtungsweise von den Werkstoffen über die Bauweise, der
Fertigungstechnologie sowie der Bauteilprüfung. Die erzielbare Leistungsfähigkeit
eines Hochleistungs-Rahmens wird hierbei wesentlich in der Konstruktions- und
Dimensionierungsphase vorgegeben. Eine Übersicht über derzeitige Bauweisen und
Fertigungstechnologien zeigt deren spezifische Eigenschaften.
Um in der Entwicklung eine möglichst gute Lösung innerhalb eines vorgegebenen
Zeitfensters zu erreichen, können praktikable und effiziente Simulationswerkzeuge
einen erheblichen Beitrag leisten. Hierzu wurde ein Werkzeug entwickelt, welches
mit Hilfe eines Gradientenverfahrens an parametrischen Geometrie FE-Modellen zur
Gestaltoptimierung und Optimierung der Laminatkonfiguration angewendet werden
kann. Dieses ist auf in Differentialbauweise gefertigte Rahmen ausgerichtet und
berücksichtigt in besonderem Maße die werkstoff- und fertigungsspezifischen Anforderungen
von Faser-Kunststoff-Verbunden.
Zur Verbesserung der Festigkeitsvorhersage dient ein Modell zur vollständigen
schichtenweisen Bruchanalyse, welches aus den Bausteinen Spannungsermittlung
mit Berücksichtigung werkstofflicher Nichtlinearitäten, Festigkeitskriterium mit Unterscheidung
der Bruchtypen Zwischenfaserbruch und Faserbruch sowie Steifigkeitsdegradation
der Einzelschicht nach Eintritt von unkritischen Matrixbrüchen besteht. Das Modell erlaubt die Vorhersage des gesamten Schädigungsprozesses unter quasistatischer
Belastung vom Erstschichtversagen bis hin zum Laminatversagen. Weiterhin
wurde das Modell in ein kommerzielles FE-Programm implementiert und erlaubt
die Analyse von komplex geformten Strukturen.
Unter Anwendung der Simulationswerkzeuge konnten drei Hochleistungs-Rahmen in
Differentialbauweise entwickelt werden, die weltweit zu den leichtesten und steifsten
gehören. Hierbei lieferte das Optimierungswerkzeug die Ausgangsgestalt sowie die
in den Rohren notwendige Laminatkonfiguration zur Erreichung höchstmöglicher
Steifigkeits-zu-Gewichtsverhältnisse. Aufbauend auf den Erkenntnissen erfolgte die
detaillierte Rahmenkonstruktion. Kritische Bereiche am Rahmen konnten durch die
abschließende Anwendung des Festigkeitsanalysewerkzeugs aufgedeckt und beseitigt
werden. Es konnte eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse des Festigkeitsanalysewerkzeugs
mit Prüfstandsversuchen gezeigt werden. Die erzielten herausragenden
Fahreigenschaften und die Haltbarkeit der entwickelten Rahmen konnten
sowohl auf Prüfständen als auch im Alltag bereits ausgiebig unter Beweis gestellt
werden.
Der Einfluss von transversalen Stoßeinwirkungen auf Fahrradrahmen wurde an
Sturzversuchen an kompletten Rennrädern sowie an repräsentativen Ober- und
Unterrohren aus Aluminium und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff untersucht
und die auftretenden Schädigungen ermittelt. Hierbei zeigte sich, dass insbesondere
an Rahmen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff nicht sichtbare Schäden
bereits bei geringsten Stoßeinwirkungen auftreten, unabhängig vom verwendeten
Fasertyp. Durchgeführte zyklische Prüfungen an vorgeschädigten Rennradrahmen
unter geringer Stoßeinwirkung zeigten keinen messbaren Verlust an Steifigkeit oder
Haltbarkeit der untersuchten Rahmen. Untersuchungen zum Einfluss des Fasertyps
auf die Impakteigenschaften zeigten deutliche Unterschiede bei den aufgetretenen
visuell erkennbaren Schäden.
Sandwichstrukturen mit einem Wabenkern und Faserverbund-Deckschichten finden
aufgrund ihres hohen Leichtbaupotenzials zunehmend Verwendung in zahlreichen
Konstruktionen, in denen eine Gewichtsersparnis angestrebt wird – allen voran im
Flugzeugbau. Im gleichen Zuge werden in der Produktentwicklung aus Effizienzgründen
verstärkt numerische Simulationsrechnungen auf Basis der Finite-Elemente-
Methode verwendet, um Bauteile für statische oder kurzzeitdynamische Belastungen
wie Crash- oder Impact-Belastungen auszulegen.
Die nichtlineare Materialmodellierung derartiger inhomogener Sandwichstrukturen
stellt aufgrund einer Vielzahl möglicher Versagensarten eine komplexe Aufgabe dar.
Da gerade auch im Fall von kurzzeitdynamischen Belastungen, bei denen Dehnrateneffekte
eine Rolle spielen können, wenig Kenntnis bezüglich des Materialverhaltens
besteht, setzt die vorliegende Arbeit an dieser Stelle an, um das Schädigungsverhalten
von Sandwichstrukturen im Flugzeugbau experimentell zu erfassen und
geeignete Modellierungsmethoden in der kommerziellen expliziten Berechnungssoftware
LS-DYNA zu entwickeln.
Neben den im Luftfahrtbereich etablierten Nomex®-Honigwaben wurden auch neuartige
Faltwaben untersucht, wobei zunächst das mechanische Verhalten beider Wabentypen
unter quasi-statischen und hochdynamischen Lastraten charakterisiert
wurde. Neben der experimentellen Bestimmung der Materialeigenschaften wurden
alternativ analytische und numerische Methoden angewendet. Insbesondere die virtuellen
Werkstoffprüfungen mittels dynamischer Simulationen und Mesomodellen
zeigten dabei das Potenzial, auf effiziente Weise und mit einer hohen Ergebnisgenauigkeit
das mechanische Verhalten von Wabenkernen vorherzusagen.
Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung der in der Passagierkabine
verwendeten Sandwichstrukturen, welche aus Brandschutzgründen mit Deckschichten
aus glasfaserverstärkten Phenoplasten ausgeführt sind. In Versuchsreihen wurden
der Dehnrateneffekt des Deckschichtmaterials, die Festigkeit der Kern-
Deckschicht-Verklebung, der Einfluss des Herstellverfahrens auf die mechanischen
Eigenschaften sowie die Versagensarten unter ebener und transversaler Belastung
untersucht und in numerischen Modellen abgebildet. Da insbesondere Lasteinleitungs- und Verbindungsstellen potenzielle Versagensstellen
von Konstruktionen in Sandwichbauweise sein können, wurde das Schädigungsverhalten
von unterschiedlichen Kanten- und Insert-Verbindungen experimentell untersucht.
Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden Modellierungsmethoden entwickelt,
die eine Abbildung des Versagensverhaltens ermöglichen.
Im Rahmen der Versuchsreihen stellte sich ein transversales Kernschubversagen als
eine dominierende Schädigungsart heraus. Da unter Verwendung einer Schalenmodellierung
für die Sandwichstruktur in der Berechnungssoftware LS-DYNA kein Materialmodell
für den Wabenkern existiert, welches ein solches Versagen abbilden kann,
wurde hierfür ein benutzerdefiniertes orthotropes Werkstoffgesetz entwickelt. Neben
dem Transversalschubversagen wurden hierin auch die weiteren in dieser Arbeit ermittelten
Charakteristika von Wabenkernen wie ein nichtlineares Nachversagensverhalten
oder ein Dehnrateneffekt implementiert.
In dieser Arbeit wurden zahlreiche neue Erkenntnisse zum einen hinsichtlich des Materialverhaltens
der untersuchten Sandwichstrukturen und zum anderen hinsichtlich
der Modellierungsmethoden gewonnen. Diese Erkenntnisse lassen sich für eine Vielzahl
unterschiedlicher nichtlinearer Problemstellungen bei Sandwichstrukturen in der
Luftfahrt einsetzen und finden innerhalb dieser Arbeit in drei exemplarischen kurzzeitdynamischen
Lastfällen Anwendung: die Simulation von Kabinenkomponenten
bei einer harten Landung, die Impact-Belastung einer Faltwaben-Sandwichstruktur
sowie die Crashsimulation eines Rumpfsegments in Sandwichbauweise.
Die Herstellung duroplastischer Werkstoffe verlangt nicht nur eine präzise Kenntnis
des Materialverhaltens in Abhängigkeit der Prozessführung, sondern auch den
Einsatz geeigneter Analysemethoden zur Charakterisierung und Beurteilung des
Werkstoffes. Eine wesentliche Herausforderung bei der Vernetzung von Polymeren
stellen innere Spannungen dar, die durch chemischen Reaktionsschwund und
thermische Ausdehnung verursacht werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, den Vernetzungsvorgang und die daraus resultierenden
Eigenschaften eines Epoxidharzes mit bestehenden materialwissenschaftlichen
Analyseverfahren zu charakterisieren und durch die Implementierung einer
neuartigen Dehnungsmesstechnik einen idealen thermischen Vernetzungsprozess
für einen spannungsminimierten Zustand zu definieren.
Den Untersuchungen liegt ein kommerzielles Epoxidharz (EP-Harz) auf der Basis
von anhydridgehärtetem Bisphenol A zugrunde. Es wurden sowohl das reine, d.h.
das ungefüllte Polymer, als auch ein mit Calciumsilikat und -carbonat gefülltes
System analysiert. Eine Materialcharakterisierung mit kalorimetrischen und
rheologischen Verfahren in Verbindung mit der Anpassung an reaktionskinetische
und chemorheologische Modelle liefert eine quantitative Beschreibung des
Vernetzungsvorganges sowohl des ungefüllten als auch des gefüllten EP-Harzes.
Die während der Vernetzung auftretenden Kräfte der beiden Harzsysteme wurden
mit Normalkraftmessungen erfasst und mathematisch erfolgreich modelliert. Das
Erweichungsverhalten sowie die (bruch)mechanischen Werte der Werkstoffe wurden
mit statischen und dynamischen mechanischen Analysen im unterschiedlich stark
vernetzten, festen Zustand geprüft. Maximale mechanische Eigenschaften werden
erst bei vollständiger Umsetzung erreicht.
Ein neuartiges Verfahren basierend auf einer faseroptischen Messsensorik wurde für
das gefüllte EP-Harz entwickelt und ermöglicht die Bestimmung reaktionsinduzierter
Dehnungen im vernetzenden Polymer. Fibre Bragg Grating (FBG)-Sensoren, die
direkt im Reaktionsharz eingebettet wurden, ermöglichen die Bestimmung von
charakteristischen Phasenübergängen während der chemischen Vernetzung, d.h.
Gelierung und Verglasung, ebenso wie die Erfassung des Ausdehnungsverhaltens
unter Temperatureinfluss. Die Ergebnisse zeigen exzellente Übereinstimmungen zu
den Daten aus etablierten Messverfahren wie Kalorimetrie, Rheologie, Volumendilatometrie
und thermisch-mechanischer Analyse. In umfangreichen Serien wurde
mithilfe der FBG-Technik der Einfluss verschiedener Phasen des thermischen Vernetzungsprozesses auf die reaktionsinduzierte Dehnungsentwicklung des EPHarzes
ermittelt.
Die erzielten Ergebnisse in Kombination mit ergänzenden Untersuchungen zum
Erweichungsverhalten sowie zur Eigenerwärmung durch exotherme Reaktion
erlauben die Definition eines idealisierten thermischen Prozesses mit dem Ziel einer
Minimierung innerer Spannungen im vernetzenden Werkstoff. Das ideal
spannungsoptimierte Härteprofil wird dadurch erzielt, dass bei zunächst moderater
Temperatur die Vernetzung in Gang gesetzt wird. Die anschließende Aufheizphase
auf Härtetemperatur startet noch im flüssigen Zustand und wird unter
Berücksichtigung von Exothermieeffekten so zügig durchgeführt, dass die Gelierung
des Materials bei möglichst hoher Temperatur stattfindet, idealerweise beim
maximalen Glasübergangspunkt Tg,∞. Erst nach einer vollständigen Vernetzung bei
entsprechend hoher Härtetemperatur tritt die Materialverglasung bei Unterschreitung
des Tg,∞ ein. Durch die gezielte Temperaturführung wird erreicht, dass die thermische
Ausdehnung gegenüber der chemischen Volumenreduktion dominiert und das
Auftreten von Zugkräften im vernetzenden Polymer unterbunden wird. Eine
frühzeitige Gelierung und besonders eine vorzeitige Verglasung während des
Vernetzungsprozesses hingegen verursachen bereits in einem niedrigen
Umsatzstadium Zugkräfte und Spannungen im Material, die sich in einem frühen
Materialversagen etwa in Form von Rissen äußern.
Die vorliegende Arbeit präsentiert durch die Implementierung des FBG-Verfahrens
nicht nur ein ausgezeichnetes Werkzeug für die Polymerentwicklung, sondern bietet
auch durch die überzeugenden faseroptischen Messergebnisse in Kombination mit
gängigen Analyseverfahren eine höchst effektive Strategie zur Erreichung eines
idealen Härteprozesses zur spannungsarmen Vernetzung von Epoxidharzen.
Dynamisierung von Planverfahren der Stadtplanung durch Informations- und Kommunikationssysteme
(2008)
Der Wandel in den gesellschaftlichen, demographischen und ökonomischen Rahmenbedingungen
stellt neue Anforderungen an Planverfahren der Stadtplanung. Demnach
müssen auch die Verfahren der Bauleitplanung hinsichtlich Dauer, Umsetzbarkeit und
Steuerungswirkung sowie bezüglich Zielsetzung, Inhalten und zugrunde liegender Leitbilder
überprüft werden. Derzeit dauern insbesondere die Verfahren der Flächennutzungsplanung
zu lange. Zudem sind die Planinhalte häufig zu statisch und nicht ausreichend
operationalisierbar, um den dynamischen Anforderungen in der Realität gen
ügen zu können.
Auch vor diesem Hintergrund wurde den Kommunen in Deutschland mit Inkrafttreten
des Europarechtsanpassungsgesetz Bau im Juli 2004 erstmals die Möglichkeit eröffnet,
moderne Informationstechnologien und hier vor allem das Internet ergänzend in
Plan- und Beteiligungsverfahren der Bauleitplanung einzusetzen. Intention des Gesetzgebers
zum entsprechenden § 4a Abs. 4 EAG Bau ist es, die Beteiligung der Öffentlichkeit
und Behörden zeitlich zu optimieren und verfahrenstechnisch zu vereinfachen.
Dementsprechend wird im vorliegenden Endbericht zum Forschungsprojekt Dynamisierung
und Flexibilisierung von Planverfahren der Stadtplanung durch Informationsund
Kommunikationssysteme der Frage nachgegangen, welche Dynamisierungspotenziale
und sonstigen Chancen elektronische Informations- und Kommunikationssysteme
im Verfahren der Flächennutzungsplanung eröffnen. Das Projekt wurde von der
Stiftung Innovation des Landes Rheinland-Pfalz finanziert.
Da bei der Online-Nutzung in Planverfahren auf der Anwenderseite, so auch bei Mitarbeitern
in Stadtplanungsämtern und kommunalen Bauverwaltungen, noch große Unsicherheit
und Skepsis vorherrschen, wurde eine landesweite Kommunalbefragung in
Rheinland-Pfalz sowie ein intensiver Austausch mit drei rheinland-pfälzischen Modellvorhaben
zu dieser Thematik durchgeführt.
Mit Hilfe der Differenzierung der Flächennutzungsplanung in Verfahrenslagen konnte
ein systematischer Überblick zur Verortung der Potenziale des Einsatzes elektronischer
Informations- und Kommunikationssysteme gewonnen werden. Mit dem forschungsbegleitend
entwickelten Internetportal FNPinform kann den Anwendern ein
funktionsfähiger Zugang zu den gewonnenen Erkenntnissen offeriert werden.
Jahresbericht 2007
(2008)
Congress Report 2008.11-12
(2008)
Congress Report 2008.09-10
(2008)
Congress Report 2008.07-08
(2008)
Congress Report 2008.04-05
(2008)
Congress Report 2008.06
(2008)
Congress Report 2008.02-03
(2008)
Congress Report 2008.01
(2008)
Noughts and Crosses
(2008)
The Comparative Manifesto Project (CMP) dataset is the only dataset providing information about the positions of parties for comparative researchers across time and countries. This article evaluates its structure and finds a peculiarity: A high number of zeros and their unequal distribution across items, countries and time. They influence the results of any procedure to build a scale, but especially those using factor analyses. The article shows that zeroes have different meanings: Firstly, there are substantial zeroes in line with saliency theory. Secondly, zeroes exist for non-substantial reasons: The length of a manifesto and the percentage of uncoded sentences, both strongly varying across time and country. We quantify the problem and propose a procedure to identify data points containing non-substantial zeroes. For the future comparative use of the dataset we plead for a theoretical selection of items combined with the information about the likelihood that zeroes are substantially meaningful.
Die fluoridkatalysierte Phosphor-Aryl-Kupplung – Ein neuer Zugang zu funktionalisierten Phosphanen
(2008)
In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer Zugang zu Arylphosphanen entwickelt, über den eine Reihe neuartiger Ligandstrukturen möglich werden. Die neu gefundene fluoridkatalysierte Kupplung von Silylphosphanen und elektronenarmen Arylfluoriden stellt eine milde Alternative zur Phosphor-Aryl-Kupplung in superbasischen Medien dar. Damit ist es möglich auch Arylfluoride zu kuppeln, deren Substitutionsmuster keine stark basischen Bedingungen zuläßt. Durch Optimierung der Reaktionsbedingungen konnte sowohl die Menge des Katalysators als auch des Lösungsmittels minimiert werden, was die Kosten der Synthese stark reduziert und die Aufarbeitung der Reaktionsansätze vereinfacht. Im Gegensatz zur Kupplung im superbasischen Medium erfolgt bei dem neuen Verfahren keine Salzbildung sondern es entsteht flüchtiges Fluortrimethylsilan als Nebenprodukt, das aus dem Reaktionsgemisch entweicht. Alternativ zu verschiedenen Fluoridionenquellen können auch NaOH und NaOMe als Lewis-Basen in katalytischen Mengen verwendet werden. Versuche mit CsF ergaben, dass die Reaktivität des Katalysators stark von der Größe und Morphologie der Salzpartikel abhängt.
This thesis is devoted to the study of tropical curves with emphasis on their enumerative geometry. Major results include a conceptual proof of the fact that the number of rational tropical plane curves interpolating an appropriate number of general points is independent of the choice of points, the computation of intersection products of Psi-classes on the moduli space of rational tropical curves, a computation of the number of tropical elliptic plane curves of given degree and fixed tropical j-invariant as well as a tropical analogue of the Riemann-Roch theorem for algebraic curves. The result are obtained in joint work with Hannah Markwig and/or Andreas Gathmann.
The goal of a multicriteria program is to explore different possibilities and their respective compromises which adequately represent the nondominated set. An exact description will in most cases fail because the number of efficient solutions is either too large or even infinite. We approximate the nondominated by computing a finite collection of nondominated points. Different ideas have been applied, including nonnegative weighted scalarization, Tchebycheff weighted scalarization, block norms and epsilon-constraints. Block norms are the building blocks for the inner and outer approximation algorithms proposed by Klamroth. We review these algorithms and propose three different variants. However, block norm based algorithms require to solve a sequence of subproblems, the number of subproblems becomes relatively high for six criteria and even intractable for real applications with nine criteria. Thus, we use bilevel linear programming to derive an approximation algorithm. We finally analyze and compare the approximation quality, running time and numerical convergence of the proposed methods.
Today’s high-resolution digital images and videos require large amounts of storage space and transmission bandwidth. To cope with this, compression methods are necessary that reduce the required space while at the same time minimize visual artifacts. We propose a compression method based on a piecewise linear color interpolation induced by a triangulation of the image domain. We present methods to speed up significantly the optimization process for finding the triangulation. Furthermore, we extend the method to digital videos. Laser scanners to capture the surface of three-dimensional objects are widely used in industry nowadays, e.g., for reverse engineering or quality measurement. Hand-held scanning devices have the advantage that the laser device can be moved to any position, permitting a scan of complex objects. But operating a hand-held laser scanner is challenging. The operator has to keep track of the scanned regions in his mind, and has no feedback of the sample density unless he starts the surface reconstruction after finishing the scan. We present a system to support the operator by computing and rendering high-quality surface meshes of the captured data online, i.e., while he is still scanning, and in real time. Furthermore, it color-codes the rendered surface to reflect the surface quality. Thereby, instant feedback is provided, resulting in better scans in less time.