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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.
Induktionsschweißen kann sowohl für das Schweißen von thermoplastischen Faser-
Kunststoff-Verbunden als auch für das Verbinden von Metall/Faser-Kunststoff-
Verbunden eingesetzt werden. Nach Betrachtung der Möglichkeiten einer solchen
Verbindung wurde festgestellt, dass die Verbindungsqualität durch die
Oberflächenvorbehandlung des metallischen und des polymeren Fügepartners und
durch die Prozessbedingungen bestimmt wird.
Verschiedene neue Werkzeuge (z.B. spezielle Probenhalterungen, temperierbarer
Anpressstempel, Erwärmungs- und Konsolidierungsrolle) wurden entwickelt und in
die Induktionsschweißanlage zur Herstellung von Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden
integriert. Topografische Analysen mittels Rasterelektronenmikroskopie und
Laserprofilometrie zeigen einen großen Einfluss der Vorbehandlungsmethoden auf
die Oberflächenrauhigkeit. Zusätzlich ändert die Vorbehandlung die physikalischen
(Oberflächenenergie) und die chemischen Eigenschaften (Atomkonzentration). Die
Eigenschaften der Verbindungen wurden zuerst anhand von Zugscherprüfungen und
parallel durch Oberflächenanalysen untersucht. Die Ergebnisse dieser
Untersuchungen zeigen:
• Die Vorbehandlungsmethoden Korundstrahlen und Sauerbeizen führen bei
dem metallischen Fügepartner zu den höchsten Verbundfestigkeiten. Die
Atmosphären-Plasmareinigung des polymeren Fügepartners ergibt eine
Zunahme der Zugscherfestigkeit von ca. 10 % sowie auch eine Verkleinerung
des Vertrauensbereiches.
• Die Zugscherfestigkeit hängt vom Prozessdruck und damit vom Fließverhalten
des Polymers in der Fügezone ab.
• Die Orientierung der Prüfkraft relativ zur Faserorientierung hat keinen Einfluss
auf die Zugscherfestigkeit der eingesetzten faserverstärkten Materialien.
• Die Leinwand-Bindung, mit mehr polymerreichen Zonen, führt zu einem
geringen Anstieg der Zugscherfestigkeit im Vergleich zu einer Atlas 1/4-
Bindung. Die Gelege-Struktur ergibt durch Faserverschiebungen ähnliche
Festigkeiten wie die Leinwand-Bindung. Es zeigt sich, dass die
Verbundfestigkeit durch das Polymer bestimmt wird. • Die Zugscherfestigkeit gewinnt einen großen Anstieg durch eine zusätzliche
Polymerfolie in der Fügezone. Die Schliffbilder zeigen eine polymere
Zwischenschichtdicke von 5 bis 20 μm für AlMg3-CF/PA66.
• Durch den gezielten Einsatz verschiedener Vorbehandlungsmethoden
(Korundstrahlen mit zusätzlichem Polymer) kann die Zugscherfestigkeit auf bis
zu 14 MPa für AlMg3-CF/PA66-Verbunde und 18 MPa für DC01-CF/PEEKVerbunde
gegenüber dem unbehandelten Zustand verdoppelt werden. Weitere Untersuchungen an den Prozessparametern ergaben für DC01-CF/PEEKVerbunde,
dass folgende Einstellungen zu einer weiteren Steigerung der
Zugscherfestigkeit auf 19 MPa führen:
• Eine Starttemperatur des Anpresstempels von 370 °C.
• Eine Haltezeit von 7 Minuten.
• Eine Abkühlrate von 6 °C/min.
Für AlMg3-CF/PA66 zeigte sich, dass eine Anpresstemperatur von 10 °C zu einer
Zugscherfestigkeit von 14,5 MPa führt. Diese beiden Zugscherfestigkeiten sind
lediglich 10 – 15 % geringer als die unter optimalen Bedingungen hergestellten
Klebeverbindungen.
Erste Untersuchungen zeigen, dass bei galvanischer Korrosion von Metall/FKVVerbunden
eine schnelle Abnahme der Zugscherfestigkeit erfolgt. Hierfür wurden die
Proben drei Wochen in Wasser gelagert. Beim direkten Kontakt zwischen
Kohlenstofffaser und Aluminium erklärt sich dies durch Korrosion in der Fügezone.
Dabei sinken die Zugscherfestigkeiten der Proben bis auf 5 MPa. Bei Proben mit
einer Glasfaserlage als Isolationsschicht zeigen sich keine Korrosionsprodukte und
die Zugscherfestigkeit nimmt um 30 % bis auf 8 – 9 MPa ab.
Bei in Salzwasser gelagerten Proben ist die galvanische Korrosion deutlich stärker
ausgeprägt. Bereits nach einer Woche besitzen die acetongereinigten Proben mit
zusätzlichem Polymer lediglich eine Restzugscherfestigkeit von 3 bis 4 MPa. Die
korundgestrahlten Proben zeigen Korrosionsprodukte am Rande der Fügezone und
in der Fügezone, weisen aber dennoch eine Zugscherfestigkeit von ca. 10 MPa auf.
Die glasfaserverstärkten Proben zeigen weder Korrosionsprodukte noch eine
Abnahme der Zugscherfestigkeit. Dynamisch thermografische Analysen wurden in verschiedenen Umgebungsgasen
durchgeführt, um die Zersetzungstemperatur des faserverstärkten Polymers zu
bestimmen. Im Falle von CF/PA66 führte dies nicht zu einer Vergrößerung des
Prozessfensters, da die Zersetzung hauptsächlich thermisch und nicht thermooxidativ
ist. Die festgestellte Zersetzungstemperatur von CF/PEEK in Luft betrug
550 °C. Die Vergrößerung des Prozessfensters ist für CF/PA66 gering und zeigte
auch keinen Anstieg in der Zugscherfestigkeit nach dem Schweißen in Stickstoff.
Trotzdem hat das Induktionsschweißen unter Schutzgas ein großes Potential für
gesättigte Kohlenwasserstoffe wie z.B. glasfaserverstärktes Polypropylen. Hier wurde
die Zersetzungstemperatur von 230 °C in Luft auf 390 °C in Stickstoff erhöht.
Es wurde ein Demonstrator bestehend aus einem Aluminium-Profil und einer
CF/PA66-Platte hergestellt, womit gezeigt werden konnte, dass die erworbenen
Kenntnisse auch für die industrielle Anwendung umsetzbar sind. Mittels analytischer
Modelle und FE-Berechnungen wurde die induktive Erwärmung erfolgreich
nachgebildet.
Sewn net-shape preform based composite manufacturing technology is widely
accepted in combination with liquid composite molding technologies for the
manufacturing of fiber reinforced polymer composites. The development of threedimensional
dry fibrous reinforcement structures containing desired fiber orientation
and volume fraction before the resin infusion is based on the predefined preforming
processes. Various preform manufacturing aspects influence the overall composite
manufacturing processes. Sewing technology used for the preform manufacturing
has number of challenges to overcome which includes consistency in preform quality,
composite quality, and composite mechanical properties.
Experimental studies are undertaken to investigate the influence of various sewing
parameters on the preform manufacturing processes, preform quality, and the fiber
reinforced polymer composite quality and properties. Sewing thread, sewing machine
parameters, shortcomings of sewing process, and remedies are explained according
to their importance during preforming and liquid composite molding. The stitches and
fiber free zone in the form of ellipse that are generated in the thickness direction were
investigated by evaluating the laminate micrographs. Correlation between ellipse
formation phenomenon, sewing thread, and sewing machine parameters is
established. A statistical tool, analysis of variance, was used to emphasize the major
preform processing factors influencing the preform imperfections.
For assessing the preform quality, the observations of sewing thread requirements
for preform and structural sewing were well documented during the experimental
studies and explained according to their significance in the composite processing.
Furthermore, selection criteria for sewing thread according to end application are
discussed in detail. Investigations on polyester sewing thread as a high speed
preform manufacturing element are also performed. Applicability of polyester sewing
thread for the preform sewing and challenges to be overcome for its extensive
utilization in the composite components are explained. Apart from this, influence of
physical structure of sewing thread on the laminate quality and properties are
explained and relationship between them is discussed in brief. Furthermore,
challenges caused due to applied spin-finishes and sizing and remedies for the same
are discussed. Sewing threads made of high performance fibers that are available in the market,
e.g., carbon, glass, and Zylon are studied for effect of thread material on through-thethickness
laminate properties. Threads made up of carbon or glass fibers are very
rigid and produces number of defects, which is a major cause of concern. Optimized
sewing procedure has been implemented to minimize the in-plane and through-thethickness
imperfections and to improve mechanical properties and surface
characteristics of composite laminate.
Preform sewing process and final ready to impregnate preforms were analyzed for
quality appearance. The sewing defects and their influence on composite structure
are monitored. Preform compressibility before and after the sewing operations are
intensively studied and correlation with sewing parameters is developed. Influence of
sewing process parameters on the warpage and change in preform area weight are
also explained in detail. Results of analytical experiments can help to improve further
exploitation of sewn preforms for composite manufacturing and overall preform and
laminate quality.
Im Zuge der steigenden Anzahl von Einsatzmöglichkeiten der
Faserverbundwerkstoffe in den verschiedensten Industriebereichen spielt die
Entwicklung bzw. Weiterentwicklung neuer und effektiverer Verarbeitungstechniken
eine bedeutende Rolle.
Dabei findet derzeit das Harzinjektionsverfahren (LCM) ausschließlich für kleinere bis
mittlere Stückzahlen seinen Einsatz. Aufgrund der sehr großen Stückzahlen im
Automobilbereich, ist dieses Verfahren hier zurzeit weniger interessant. Daher
werden große Anstrengungen unternommen, das Harzinjektionsverfahren besonders
für solche Bauteile attraktiver zu machen, die gegenwärtig mit Hilfe des Prepreg-
Verfahrens hergestellt werden. Dabei spielt die Reduktion der hier vergleichsweise
hohen Zykluszeit eine tragende Rolle. Die Dauer eines Zyklus wird hierbei
hauptsächlich durch die Vorbereitung und Herstellung der Verstärkungsstruktur
(Preform) sowie durch die Bestückung des Werkzeuges bestimmt. Diese so
genannte Preform-Technik weist daher ein sehr großes Entwicklungspotential auf,
mit dem Ziel, solche Verstärkungsstrukturen herzustellen, die nach der Injektion
keine Nacharbeit erfordern. Solche Strukturen werden auch als „net shape, ready-toimpregnate“-
Preform bezeichnet. Die hierfür notwendigen Techniken stammen
vornehmend aus der Textilindustrie, wie z.B. die direkte Preformtechnik, das Nähen
oder Kleben (Binder-Technik).
Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, die Möglichkeiten der Nähtechnik bezogen
auf die Herstellung der Preforms zu untersuchen. Hierfür werden die verschiedenen
Naht- und Verbindungsarten hinsichtlich ihres Einsatzes in der Preformtechnik, wie
die Fixier- und Positionier-, die Füge- oder Verbindungsnaht und die Montagenaht,
untersucht.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst innerhalb einer Studie zur „net shape“-
Preformtechnik eine Versteifungsstruktur entwickelt und hergestellt. Diese Struktur
soll dabei der Veranschaulichung der Möglichkeiten und Einsatzbereiche der
Nähtechnik bei der Preformtechnologie dienen. Zudem kann so ein mehrstufiger
Preformherstellungsprozess demonstriert werden. Ferner zeigt diese Studie, dass
ein hochgradiger, automatisierter Prozess, welcher zudem eine durchgängige
Qualitätskontrolle ermöglicht, realisiert werden konnte. Als ein weiterer Schritt wurde ein Prozess zur Herstellung eine dreidimensionalen
Preform, der die Anwendung verschiedener thermoplastischer,
niedrigtemperaturschmelzender Nähgarne zulässt, ausgearbeitet. Hierbei wurden die
Vorteile der Näh- und der Binder-Technologie miteinander verbunden. Außerdem
konnte durch die bereits formstabile und imprägnierungsfertige Preformstruktur, die
Bestückung des Werkzeuges wesentlich vereinfacht werden. Um die mechanischen
Eigenschaften der Preforms bestimmen zu können, wurden quantitative
Messmethoden erarbeitet. Hierdurch konnten anschließend die Einflüsse der
Orientierung sowie der Stichdichte ermittelt werden. Zudem wurden die folgenden
drei grundlegenden Eigenschaften untersucht: die spezifische Biegesteifigkeit, der so
genannte Rückspringwinkel sowie die Rückstellkraft nach dem Thermoformen
hinsichtlich der verschiedenen Nähtypen.
Um dies zu ergänzen, wurden weiterführende Untersuchungen zu den
Materialeigenschaften der Nähfäden, die bei der dreidimensionalen Preformtechnik
eingesetzt werden können, durchgeführt. Dabei ist neben der niedrigen
Schmelztemperatur die vollständige Auflösbarkeit der Nähgarne in den ungesättigten
Polyester- und Epoxidharzen besonders wichtig. Auf Grund dieser vollständigen
Auflösung der Fäden in der Matrix können die Stichlöcher wieder vollkommen
verschlossen werden. Dadurch kann eine Reduktion des Einflusses solcher
Stichlöcher auf die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffes
erreicht werden. Mit Hilfe dieser Untersuchungen wurden schließlich zwei polymere
Nähgarne als vielversprechend beurteilt. Diese weisen eine Schmelztemperatur von
weniger als 100 °C sowie eine gute Lösbarkeit, besonders im Harzsystem RTM 6,
auf.
In der Preformtechnik werden die Nähte nicht nur als Positionier- oder Montagenaht
eingesetzt, sondern können in einer Struktur als auch als Verstärkungselement, eine
so genannte Verstärkungsnaht, verwendet werden. Der Zweck einer solchen Naht ist
die interlaminare Verstärkung von monolitischen oder Sandwichstrukturen. Zudem
besteht die Möglichkeit, diese zur Fixierung von metallischen Funktionselementen
(Inserts) in den Faserverbundwerkstoff zu benutzen. Hinsichtlich diese Möglichkeiten
wurden im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich Untersuchung durchgeführt. Dabei
wiesen die eingenähten Krafteinleitungselemente in durchgeführten statischen
Zugversuchen eine annähernd 200 % höhere maximale Zugkraft verglichen mit
entsprechenden Elementen (BigHead®), die nicht durch eine Naht fixiert wurden. Weitere Untersuchungen zeigten auch, dass eine doppelte Naht nicht eine
proportionale Verdoppelung der maximal erreichbaren Zugkraft bewirkt. Der Grund
hierfür liegt an einer partiellen Zerstörung des vorhandenen Nähgarns der ersten
Naht begründet durch den doppelten Einstich in die bereits bestehenden Löcher
beim mehrmaligen Durchlaufen der Nadel. Der größte Verstärkungseffekt konnte
schließlich bei der interlaminaren Einbettung und der Vernähung des Insert erreicht
werden. In diesem Fall kann eine Delamination, wie sie bei lediglich interlaminar
eingebetteten Inserts auftritt, verhindert werden.
Zusätzlich wurden statische Scherversuche durchgeführt, um auch in diesem
Belastungsfall die Versagensart zu untersuchen. Dabei stellte sich heraus, dass nicht
die Nähte sondern der Insert versagte. Auf Grund des Materialbruchs des Inserts,
sowohl in Zug- als auch in Scherversuchen, wurde in einem weiteren Schritt ein
optimiertes Insert entwickelt. Bei diesem wurde der Sockel in soweit modifiziert, dass
die maximale Versagenslast des Nähgarns ermittelt werden konnte. Dabei stellte
sich heraus, dass Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern sich nur bedingt als
Verstärkungsgarn zur Fixierung von Inserts eignen. Im Gegensatz dazu sind die
Polyestergarne als ausreichende Verstärkung gut geeignet. Weitere Vorteile des
Polyestergarns sind die niedrigeren Kosten sowie die gute Vernähbarkeit.
Anschließend wurde eine solche Verbindung des Inserts mit einem
Faserverbundwerkstoff mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) simuliert. Dabei
zeigte sich eine gute Übereinstimmung der simulierten Ergebnisse mit denen aus
dem statischen Zugversuch mit dem weiterentwickelten Insert.
Auf Grund der elektrischen Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern, können Fäden aus
diesem Material auch als Sensoren zur Überwachung einer Struktur oder Verbindung
eingesetzt werden. Hierfür wurden ebenfalls Untersuchungen durchgeführt. Dabei
konnte mit Hilfe der Änderung des elektrischen Widerstandes auf Schädigungen der
Fasern geschlossen werden. Somit können nicht nur das Bestehen einer
Schädigung, sondern auch der annähernde Ort ermittelt werden. Die
Untersuchungen zeigten somit, dass die Kohlenstofffasern nicht lediglich als
Verstärkung sondern auch als Überwachungssensor bei einem eingebetteten Insert
dienen können.
Im Rahmen aller Untersuchungen konnte das große und vielversprechende Potential
der Nähtechnik bei der Herstellung von Preform-Bauteilen aufgezeigt sowie ein
Einblick in einige von vielen Anwendungsmöglichkeiten gegeben werden.
The broad engineering applications of polymers and composites have become the
state of the art due to their numerous advantages over metals and alloys, such as
lightweight, easy processing and manufacturing, as well as acceptable mechanical
properties. However, a general deficiency of thermoplastics is their relatively poor
creep resistance, impairing service durability and safety, which is a significant barrier
to further their potential applications. In recent years, polymer nanocomposites have
been increasingly focused as a novel field in materials science. There are still many
scientific questions concerning these materials leading to the optimal property
combinations. The major task of the current work is to study the improved creep
resistance of thermoplastics filled with various nanoparticles and multi-walled carbon
nanotubes.
A systematic study of three different nanocomposite systems by means of
experimental observation and modeling and prediction was carried out. In the first
part, a nanoparticle/PA system was prepared to undergo creep tests under different
stress levels (20, 30, 40 MPa) at various temperatures (23, 50, 80 °C). The aim was
to understand the effect of different nanoparticles on creep performance. 1 vol. % of
300 nm and 21 nm TiO2 nanoparticles and nanoclay was considered. Surface
modified 21 nm TiO2 particles were also investigated. Static tensile tests were
conducted at those temperatures accordingly. It was found that creep resistance was
significantly enhanced to different degrees by the nanoparticles, without sacrificing
static tensile properties. Creep was characterized by isochronous stress-strain curves,
creep rate, and creep compliance under different temperatures and stress levels.
Orientational hardening, as well as thermally and stress activated processes were
briefly introduced to further understanding of the creep mechanisms of these
nanocomposites. The second material system was PP filled with 1 vol. % 300 nm and 21 nm TiO2
nanoparticles, which was used to obtain more information about the effect of particle
size on creep behavior based on another matrix material with much lower Tg. It was
found especially that small nanoparticles could significantly improve creep resistance.
Additionally, creep lifetime under high stress levels was noticeably extended by
smaller nanoparticles. The improvement in creep resistance was attributed to a very
dense network formed by the small particles that effectively restricted the mobility of
polymer chains. Changes in the spherulite morphology and crystallinity in specimens
before and after creep tests confirmed this explanation.
In the third material system, the objective was to explore the creep behavior of PP
reinforced with multi-walled carbon nanotubes. Short and long aspect ratio nanotubes
with 1 vol. % were used. It was found that nanotubes markedly improved the creep
resistance of the matrix, with reduced creep deformation and rate. In addition, the
creep lifetime of the composites was dramatically extended by 1,000 % at elevated
temperatures. This enhancement contributed to efficient load transfer between
carbon nanotubes and surrounding polymer chains.
Finally, a modeling analysis and prediction of long-term creep behaviors presented a
comprehensive understanding of creep in the materials studied here. Both the
Burgers model and Findley power law were applied to satisfactorily simulate the
experimental data. The parameter analysis based on Burgers model provided an
explanation of structure-to-property relationships. Due to their intrinsic difference, the
power law was more capable of predicting long-term behaviors than Burgers model.
The time-temperature-stress superposition principle was adopted to predict long-term
creep performance based on the short-term experimental data, to make it possible to
forecast the future performance of materials.
In recent years, nanofiller-reinforced polymer composites have attracted considerable
interest from numerous researchers, since they can offer unique mechanical,
electrical, optical and thermal properties compared to the conventional polymer
composites filled with micron-sized particles or short fibers. With this background, the
main objective of the present work was to investigate the various mechanical
properties of polymer matrices filled with different inorganic rigid nanofillers, including
SiOB2B, TiOB2B, AlB2BOB3B and multi-walled carbon nanotubes (MWNT). Further, special
attention was paid to the fracture behaviours of the polymer nanocomposites. The
polymer matrices used in this work contained two types of epoxy resin (cycloaliphatic
and bisphenol-F) and two types of thermoplastic polymer (polyamide 66 and isotactic
polypropylene).
The epoxy-based nanocomposites (filled with nano-SiOB2B) were formed in situ by a
special sol-gel technique supplied by nanoresins AG. Excellent nanoparticle
dispersion was achieved even at rather high particle loading. The almost
homogeneously distributed nanoparticles can improve the elastic modulus and
fracture toughness (characterized by KBICB and GBICB) simultaneously. According to
dynamic mechanical and thermal analysis (DMTA), the nanosilica particles in epoxy
resins possessed considerable "effective volume fraction" in comparison with their
actual volume fraction, due to the presence of the interphase. Moreover, AFM and
high-resolution SEM observations also suggested that the nanosilica particles were
coated with a polymer layer and therefore a core-shell structure of particle-matrix was
expected. Furthermore, based on SEM fractography, several toughening
mechanisms were considered to be responsible for the improvement in toughness,
which included crack deflection, crack pinning/bowing and plastic deformation of
matrix induced by nanoparticles.
The PA66 or iPP-based nanocomposites were fabricated by a conventional meltextrusion
technique. Here, the nanofiller content was set constant as 1 vol.%. Relatively good particle dispersion was found, though some small aggregates still
existed. The elastic modulus of both PA66 and iPP was moderately improved after
incorporation of the nanofillers. The fracture behaviours of these materials were
characterized by an essential work fracture (EWF) approach. In the case of PA66
system, the EWF experiments were carried out over a broad temperature range
(23~120 °C). It was found that the EWF parameters exhibited high temperature
dependence. At most testing temperatures, a small amount of nanoparticles could
produce obvious toughening effects at the cost of reduction in plastic deformation of
the matrix. In light of SEM fractographs and crack opening tip (COD) analysis, the
crack blunting induced by nanoparticles might be the major source of this toughening.
The fracture behaviours of PP filled with MWNTs were investigated over a broad
temperature range (-196~80 °C) in terms of notched impact resistance. It was found
that MWNTs could enhance the notched impact resistance of PP matrix significantly
once the testing temperature was higher than the glass transition temperature (TBgB) of
neat PP. At the relevant temperature range, the longer the MWNTs, the better was
the impact resistance. SEM observation revealed three failure modes of nanotubes:
nanotube bridging, debonding/pullout and fracture. All of them would contribute to
impact toughness to a degree. Moreover, the nanotube fracture was considered as
the major failure mode. In addition, the smaller spherulites induced by the nanotubes
would also benefit toughness.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte eine Prozesstechnologie entwickelt werden,
die das Einsatzgebiet von endlosfaserverstärkten Thermoplasten (Organoblechen)
auf den Bereich von schnellbewegten Getriebebauteilen im Maschinenbau erweitert.
Zum Thermoformen von kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasten wurde erstmals
die induktive Erwärmung als Heizquelle eingesetzt. Dies ermöglicht die Erwärmung
des untersuchten Halbzeuges (CF/PA66) an zwei lokal begrenzten Bereichen in weniger
als 30 Sekunden auf Umformtemperatur. Dieser lokale Energieeintrag bietet die
Grundlage für den anschließenden partiellen Thermoformprozess, mit dem Ziel
der gleichzeitigen Umformung mehrerer Formnester auf einem Halbzeug.
Durch Koppelung dieses Verfahren mit einem Werkzeugkonzept zur dickenadaptiven
Umformung war eine Erhöhung der Halbzeugdicke in definierten Bereichen um
bis zu 200 % möglich. In Organobleche mit einer Dicke von 2 mm wurden Lagersitze
mit einer Lagersitzbreite von 6 mm eingeformt, ohne dass Material von außen nachgeführt
oder extern dem Prozess zugeführt werden musste. Auch ein Verfahren zum
Ausformen von Lagersitzen und dem gleichzeitigen Fügen metallischer Lager wurde
realisiert und ein Modell von geometrisch möglichen Lagersitzdimensionen in Abhängigkeit
der Organoblechdicke erstellt.
Die Kombination aus Prozess Neu- und Weiterentwicklungen führt zu einer Prozesskettenverkürzung
mit einer daraus resultierenden Prozesszeiteinsparung von
bis zu 37 % gegenüber dem partiellen Thermoformen, was entscheidend zur Kostensenkung
bei der Herstellung beiträgt.
Die Prozesskette wurde an einem Demonstratorbauteil, einem schnellbewegten Hebel
(Fadenhebel) einer Industrienähmaschine, exemplarisch abgebildet. Dieser Fadenhebel
besitzt zwei metallische Rillenkugellager, die in einem Schritt in ein zuvor
ebenes Halbzeug eingeformt und gefügt wurden. Bei der Bauteilprüfung zeigte sich
neben einer Netto-Gewichtsreduzierung von 50 % gegenüber der bestehenden Aluminiumvariante
eine Reduzierung der Schallemission um bis zu 1 dB(A). Dies ist auf
das hohe Dämpfungsvermögen des thermoplastischen Ausgangsmaterials zurückzuführen, und unterstreicht das große Potenzial dieser Werkstoffklasse in dynamisch
belasteten Bauteilen.
In this thesis we classify simple coherent sheaves on Kodaira fibers of types II, III and IV (cuspidal and tacnode cubic curves and a plane configuration of three concurrent lines). Indecomposable vector bundles on smooth elliptic curves were classified in 1957 by Atiyah. In works of Burban, Drozd and Greuel it was shown that the categories of vector bundles and coherent sheaves on cycles of projective lines are tame. It turns out, that all other degenerations of elliptic curves are vector-bundle-wild. Nevertheless, we prove that the category of coherent sheaves of an arbitrary reduced plane cubic curve, (including the mentioned Kodaira fibers) is brick-tame. The main technical tool of our approach is the representation theory of bocses. Although, this technique was mainly used for purely theoretical purposes, we illustrate its computational potential for investigating tame behavior in wild categories. In particular, it allows to prove that a simple vector bundle on a reduced cubic curve is determined by its rank, multidegree and determinant, generalizing Atiyah's classification. Our approach leads to an interesting class of bocses, which can be wild but are brick-tame.
In urban planning, sophisticated simulation models are key tools to estimate future population growth for measuring the impact of planning decisions on urban developments and the environment. Simulated population projections usually result in large, macro-scale, multivariate geospatial data sets. Millions of records have to be processed, stored, and visualized to help planners explore and analyze complex population patterns. We introduce a database driven framework for visualizing geospatial multidimensional simulation data based on the output from UrbanSim, a software for the analysis and planning of urban developments. The designed framework is extendable and aims at integrating empirical-stochastic methods and urban simulation models with techniques developed for information visualization and cartography. First, we develop an empirical model for the estimation of residential building types based on demographic household characteristics. The predicted dwelling type information is important for the analysis of future material use, carbon footprint calculations, and for visualizing simultaneously the results of land usage, density, and other significant parameters in 3D space. Our model uses multinomial logistic regression to derive building types at different scales. The estimated regression coefficients are applied to UrbanSim output in order to predict residential building types. The simulation results and the estimated building types are managed in an object-relational geodatabase. From the database, density, building types, and significant demographic variables are visually encoded as scalable, georeferenced 3D geometries and displayed on top of aerial photographs in a Google Earth visual synthesis. The geodatabase can be accessed and the visualization parameters can be chosen through a web-based user interface. The geometries are encoded in KML, Google's markup language, as ready-to-visualize data sets. The goal is to enhance human cognition by displaying abstract representations of multidimensional data sets in a realistic context and thus to support decision making in planning processes.
Unternehmen sind heute mit einem globalen Wettbewerb und großen Herausforderungen konfrontiert, wie z. B. kurzen Produktlebenszyklen oder hohen Anforderungen an die Prozess- und Ergebnissicherheit. Verschiedene daten- und technologiegetriebene sowie prozessorientierte Ansätze der Produktionsgestaltung versuchen, Lösungen für Produktionssysteme zu entwickeln, um diese Herausforderungen zu bewältigen und im globalen Wettbewerb bestehen zu können. Jede einzelne Richtung der Produktionsgestaltung weist dabei Vorteile und Defizite auf. Durch „Smart Production Systems“ werden die Grundideen der einzelnen Ansätze, die bisher als unvereinbar galten, zusammengeführt. Dadurch können einzelne Defizite ausgeglichen werden, ohne auf die bekannten Vorteile zu verzichten. Der Grundgedanke von „Smart Production Systems“ ist es, „wissensinkorporierte Objekte“ in Produktionsprozessen einzusetzen, um die Abläufe jederzeit nachvollziehbar und damit das zugehörige Produktionssystem sicher, effizient und flexibel zu gestalten. Wissensinkorporierte Objekte stellen dabei Produktionsobjekte dar, die neben ihrer eigentlichen Funktion informationstechnische Funktionen besitzen, mittels derer sie Daten speichern und wieder bereitstellen können. Der Einsatz wissensinkorporierter Objekte in „Smart Production Systems“ kann mit Hilfe des Konzepts Gestaltungswürfels „Smart Cube“ strukturiert analysiert, geplant, konzeptioniert, bewertet, implementiert, genutzt und gesichert werden. Das Konzept des Gestaltungswürfels „Smart Cube“ wird durch ein Organisations-, ein Referenz-, ein Umsetzungsmodell und mehrere spezifische Anwendungsmodelle beschrieben: 1) Das Organisationsmodell erläutert als Ansatzpunkt von „Smart Production Systems“ die Stellung des Informationsflusses und Materialfluss sowie den Zusammenhang zwischen Datenmenge und Entscheidungsreichweite innerhalb einer Produktionsorganisation. 2) Das Referenzmodell wird aus den drei räumlichen Achsen Wirkungs-, Objekt- und Prozess- sowie Informationsstruktur aufgebaut. Es erfüllt folgende Aufgaben: - Es beschreibt die grundsätzlichen Ausprägungen von Wirkungs-, Objekt- und Prozess- sowie Informationsstrukturen und deren Kombinationsmöglichkeiten innerhalb von Produktionssystemen. - Es erläutert die Zusammenhänge zwischen Technologie-, Logistik- und Kommunikationskomplexität und ermöglicht damit die Einordnung von spezifischen Produktionssystemen in das Referenzmodell. - Mit den verschiedenen Koordinaten der einzelnen Achsen liefert es eine Systematik zur Bezeichnung der verschiedenen möglichen Kombinationen, die es ermöglicht, Anwendungsmodelle aus dem Referenzmodell abzuleiten. 3) Die Anwendungsmodelle konkretisieren das Referenzmodell hinsichtlich der in einem Produktionssystem enthaltenen Objekte und Prozesse. Aufgrund der verschiedenen möglichen Kombinationen der Ausprägungen der einzelnen Strukturen im Referenzmodell lassen sich 27 verschiedene Anwendungsmodelle bilden. 4) Das Umsetzungsmodell beschreibt das Vorgehen bei der Gestaltung von Produktionssystemen mit Hilfe des Gestaltungswürfels „Smart Cube“ . Am Beispiel eines Neugestaltungsprojektes in einem Unternehmen aus der Automobilzulieferindustrie wird gezeigt, wie mit Hilfe des entwickelten Konzeptes Gestaltungswürfel „Smart Cube“ der Einsatz von wissensinkorporierten Objekten systematisch gestaltet werden kann: - Mit der Gestaltung von Kanbankarten zu wissensinkorporierten Objekten kann der manuelle Buchungsaufwand minimiert und der Anteil nicht-wertschöpfender Tätigkeiten klein gehalten werden. - Mit Hilfe des Einsatzes wissensinkorporierter Objekte in einem Fabriksystem können Zielkonflikte zwischen Sicherheit und Effizienz gelöst werden.
The nowadays increasing number of fields where large quantities of data are collected generates an emergent demand for methods for extracting relevant information from huge databases. Amongst the various existing data mining models, decision trees are widely used since they represent a good trade-off between accuracy and interpretability. However, one of their main problems is that they are very instable, which complicates the process of the knowledge discovery because the users are disturbed by the different decision trees generated from almost the same input learning samples. In the current work, binary tree classifiers are analyzed and partially improved. The analysis of tree classifiers goes from their topology from the graph theory point of view to the creation of a new tree classification model by means of combining decision trees and soft comparison operators (Mlynski, 2003) with the purpose to not only overcome the well known instability problem of decision trees, but also in order to confer the ability of dealing with uncertainty. In order to study and compare the structural stability of tree classifiers, we propose an instability coefficient which is based on the notion of Lipschitz continuity and offer a metric to measure the proximity between decision trees. This thesis converges towards its main part with the presentation of our model ``Soft Operators Decision Tree\'\' (SODT). Mainly, we describe its construction, application and the consistency of the mathematical formulation behind this. Finally we show the results of the implementation of SODT and compare numerically the stability and accuracy of a SODT and a crisp DT. The numerical simulations support the stability hypothesis and a smaller tendency to overfitting the training data with SODT than with crisp DT is observed. A further aspect of this inclusion of soft operators is that we choose them in a way so that the resulting goodness function (used by this method) is differentiable and thus allows to calculate the best split points by means of gradient descent methods. The main drawback of SODT is the incorporation of the unpreciseness factor, which increases the complexity of the algorithm.
Thermoelasticity represents the fusion of the fields of heat conduction and elasticity in solids and is usually characterized by a twofold coupling. Thermally induced stresses can be determined as well as temperature changes caused by deformations. Studying the mutual influence is subject of thermoelasticity. Usually, heat conduction in solids is based on Fourier’s law which describes a diffusive process. It predicts unnatural infinite transmission speed for parts of local heat pulses. At room temperature, for example, these parts are strongly damped. Thus, in these cases most engineering applications are described satisfactorily by the classical theory. However, in some situations the predictions according to Fourier’s law fail miserable. One of these situations occurs at temperatures near absolute zero, where the phenomenon of second sound1 was discovered in the 20th century. Consequently, non-classical theories experienced great research interest during the recent decades. Throughout this thesis, the expression “non-classical” refers to the fact that the constitutive equation of the heat flux is not based on Fourier’s law. Fourier’s classical theory hypothesizes that the heat flux is proportional to the temperature gradient. A new thermoelastic theory, on the one hand, needs to be consistent with classical thermoelastodynamics and, on the other hand, needs to describe second sound accurately. Hence, during the second half of the last century the traditional parabolic heat equation was replaced by a hyperbolic one. Its coupling with elasticity leads to non-classical thermomechanics which allows the modeling of second sound, provides a passage to the classical theory and additionally overcomes the paradox of infinite wave speed. Although much effort is put into non-classical theories, the thermoelastodynamic community has not yet agreed on one approach and a systematic research is going on worldwide.Computational methods play an important role for solving thermoelastic problems in engineering sciences. Usually this is due to the complex structure of the equations at hand. This thesis aims at establishing a basic theory and numerical treatment of non-classical thermoelasticity (rather than dealing with special cases). The finite element method is already widely accepted in the field of structural solid mechanics and enjoys a growing significance in thermal analyses. This approach resorts to a finite element method in space as well as in time.
In der vorliegenden Arbeit werden Sekundärstrukturmotive von isolierten Peptiden und Peptid-Aggregaten in der Gasphase analysiert. Zur Untersuchung ihrer intrinsischen Eigenschaften werden die isolierten Peptide durch adiabatische Abkühlung in Molekularstrahlen erzeugt. Durch die Anwendung hochsensitiver Techniken der Doppelresonanzspektroskopie, Resonante zwei Photonen Ionisation (R2PI) und Infrarot/Resonante zwei Photonen Ionisation (IR/R2PI), werden die Peptide und Peptid-Aggregate hinsichtlich ihrer Elektronen – und Schwingungsübergängen analysiert. Die Schwingungsfrequenzen im Bereich der Amid A, I, II Moden und im oberen „Fingerprintbereich“ von Peptiden sind sehr signifikant für die Geometrie des Rückgrates und der Seitenketten, z.B. unterscheiden sich Schwingungen von Gruppen, die an Wasserstoffbrückenbindungen beteiligt sind, sehr stark durch ihre Lage und Intensität gegenüber Schwingungen von frei vorliegenden Gruppen. Ein Vergleich mit berechneten Schwingungsfrequenzen aus ab initio und Dichtefunktionaltheorie Rechnungen ermöglicht eine Zuordnung zu einer bestimmten Struktur. Es werden in dieser Arbeit verschiedene Sekundärstrukturen über die Analyse von geschützten Aminosäuren, Di- und Tripeptiden untersucht. Insbesondere gelang es erstmals, ein ß-Faltblattmodellsystem für ein isoliertes Dimer eines Peptids nachzuweisen. Weiterhin werden zum molekularen Verständnis der Mikrosolvatation Aggregate mit Wassermolekülen betrachtet und somit der Einfluss auf die Sekundärstruktur durch sukzessive Aggregation von Wassermolekülen analysiert. In Kooperation mit Prof. Schrader (Universität Duisburg-Essen) werden Templatmoleküle charakterisiert, um ihre Fähigkeiten zur Anlagerung an schädliche ß-Faltblattstrukturen zu untersuchen, die in sogenannten neurodegenerativen Krankheiten häufig auftreten. Die Effizienz ist sowohl über die Analyse der Zahl und Stärke der inter- und intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen als auch über die gebildete Clusterstruktur untersucht worden.
Retentionsbodenfilter (RBF) werden in den letzten Jahren zunehmend zur weitergehenden Mischwasserbehandlung eingesetzt. Insbesondere bei empfindlichen Gewässern haben sich Retentionsbodenfilter als eine wertvolle Maßnahme zur Erfüllung der immissionsorientierten Anforderungen erwiesen, die sich vermehrt aus neuen europäischen Regelungen (EU WRRL, 2000) ergeben. Der überwiegend hohe Wirkungsgrad von RBF hinsichtlich der Elimi-nation von C-Verbindungen (CSB) und Ammonium (NH4) wurde mittlerweile an verschiede-nen Anlagen nachgewiesen. Es bestehen weiterhin Unsicherheiten hinsichtlich des Einflus-ses unterschiedlicher Beschickungs- und Betriebssituationen auf die Reinigungsleistung von Bodenfiltern. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Verbesserung des Kenntnisstan-des zur Belastbarkeit von RBF liefern. Im Vordergrund steht die Ermittlung des maximalen Frachtrückhaltes hinsichtlich organischen Kohlenstoffverbindungen und Stickstoffverbindun-gen unter hohen hydraulischen und stofflichen Belastungen. Die Untersuchungen wurden im Labormaßstab an Säulenmodellen mit zwei unterschiedli-chen Filtersubstraten durchgeführt. Durch die gezielte Variierung der Beschickungsmengen und Filtergeschwindigkeit wurde ein breites Spektrum unterschiedlicher Belastungszustände untersucht. Ferner wurden Sauerstoff- und Redoxpotential im Säulenablauf sowie im Filter-körper gemessen. In Anschluss an die Versuchsreihen wurden die Säulen abgebaut und ergänzende bodenkundliche und mikrobiologische Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse einer ergänzenden Volumenbilanz zeigen, dass selbst in einem überstauten Filterkörper nicht alle Poren im mit Wasser gefüllt sind. Der in der eingeschlossenen Boden-luft enthaltene Sauerstoff trägt zur Wiederbelüftung des infiltrierenden Beschickungswassers bei. Die mikrobiell bedingten Unterschiede des O2-Verbrauchs im vertikalen Filterprofil haben zur Folge, dass in einem Filterkörper gleichzeitig aerobe, anoxische und anaerobe Zonen existieren können. Der Rückhalt von Ammonium hat sich als signifikant abhängig von der Filtrationsgeschwin-digkeit und der substratspezifischen Sorptionskapazität erwiesen. Die Gesamtbetrachtung der Stickstoffkomponenten und insbesondere NO3-Konzentrationsganglinien in Säulenablauf führt im Zusammenhang mit der Sauerstoffverfügbarkeit im Filterkörper zur Folgerung, dass NH4-Rückhalt nicht wie bisher als streng zweistufiger Prozess mit Teilschritten Sorption (in der Betriebsphase) und Nitrifikation (in der Trockenphase) angesehen werden kann. Die Er-gebnisse der Arbeit zeigen erstmals, dass unter bestimmten Bedingungen die Nitrifikation schon während der Betriebsphase stattfindet. Die Analyse des Sauerstoffverbrauchs in den Filterkörpern der untersuchten Säulen in Ver-bindung mit der CSB-Reinigungsleistung belegt, dass während der Betriebsphase auch für die CSB-Verbindungen ein unmittelbarer Abbau stattfindet. Unter aeroben Verhältnissen ist die Reinigungsleistung in allen untersuchten Säulen – unabhängig von Substrat und Filter-geschwindigkeit - weitgehend stabil.
In der vorliegenden Arbeit wird das Tragverhalten von Verbundträgern im Bereich von großen Stegöffnungen analysiert und ein Modell zur Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit des Betongurts entwickelt. Die Basis dazu bilden umfangreiche experimentelle und rechnerische Untersuchungen. Des Weiteren wird die Reibung zwischen dem Schaft von einbetonierten Kopfbolzendübeln und dem umgebendem Beton experimentell untersucht. Anhand von 21 großmaßstäblichen Traglastversuchen, die erstmals so konzipiert waren, dass im Öffnungsbereich nahezu die gesamte Querkraft durch den Betongurt übertragen wurde, konnte die Querkrafttragfähigkeit des Betongurts experimentell in engen Grenzen bestimmt werden. Neue Erkenntnisse über den Lastabtragungs- und Versagensmechanismus im Öffnungsbereich wurden durch die Auswertung der Dehnungen der Kopfbolzendübel im Öffnungsbereich und das nachträgliche Aufsägen des Betongurts der Versuchsträger gewonnen. Die Versuche wurden mit einem dreidimensionalen FE-Modell, das die Versuche in ihren wesentlichen Teilen abbildete, simuliert. Durch den Vergleich der rechnerischen mit den experimentell ermittelten Werten wurde dieses Modell überprüft und anschließend wurden damit Parameteruntersuchungen durchgeführt. Mit den Erkenntnissen aus den experimentellen und rechnerischen Untersuchungen konnte der Lastabtragungsmechanismus im Öffnungsbereich umfassend analysiert werden und ein Ingenieurmodell zur Bestimmung und zum Nachweis der Querkrafttragfähigkeit des Betongurts im Öffnungsbereich entwickelt werden.
Nonlinear diffusion filtering of images using the topological gradient approach to edges detection
(2007)
In this thesis, the problem of nonlinear diffusion filtering of gray-scale images is theoretically and numerically investigated. In the first part of the thesis, we derive the topological asymptotic expansion of the Mumford-Shah like functional. We show that the dominant term of this expansion can be regarded as a criterion to edges detection in an image. In the numerical part, we propose the finite volume discretization for the Catté et al. and the Weickert diffusion filter models. The proposed discretization is based on the integro-interpolation method introduced by Samarskii. The numerical schemes are derived for the case of uniform and nonuniform cell-centered grids of the computational domain \(\Omega \subset \mathbb{R}^2\). In order to generate a nonuniform grid, the adaptive coarsening technique is proposed.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, durch Lagerung hervorgerufene unerwünschte Alterungsphänomene in Fruchtsäften und Konzentraten aus anthocyanhaltigen Früchten aufzuklären und zu minimieren. Ein wesentlicher Schwerpunkt lag dabei in der Betrachtung der Veränderung der komplexen Stoffgruppe der Polyphenole, die aufgrund ihrer Vielzahl an gesundheitlich positiven Wirkungen in jüngster Zeit immer mehr in den Focus einer gesunden Ernährung gerückt sind. Buntsäfte und Buntsaftkonzentrate aus roter Traube (Vitis Vinifera, nur Saft), schwarzer Johannisbeere (Ribes nigrum L.), und Aronia (Aronia melanocarpa) wurden hergestellt und anschließend über einen Zeitraum von zwölf Monaten bei 4 °C, 20 °C und 37 °C unter Lichtausschluss gelagert. Bei allen Buntsäften und Buntsaftkonzentraten wirkt sich die Zunahme von Lagertemperatur und Lagerdauer negativ aus. Die Intensität der Auswirkung differierte stark zwischen den untersuchten Parametern: Die Gesamtphenolgehalte (Folin-Ciocalteu) sowie die damit häufig korrelierende antioxidative Kapazität (TEAC) unterlagen in allen Säften und Konzentraten bei 4 °C und 20 °C über einen Zeitraum von 12 Monaten nur geringen Schwankungen. Möglicherweise entstehen während der Lagerung neue Pigmente wie polymere oder kondensierte Polyphenole, die ebenfalls eine hohe antioxidative Kapazität besitzen. Die originäre Farbe (CIELAB, Sensorik) blieb bei sehr stark gefärbten Proben (z.B. schwarze Johannisbeere) länger erhalten als bei nur schwach gefärbten Proben (z.B. Rebsorte cv. Spätburgunder), die zu einer wesentlich schnelleren Bräunung auch bei niedrigeren Lagertemperaturen neigten. Die Phenolprofile (HPLC) sind frucht- und sortenabhängig, die Phenolgehalte (HPLC) sind frucht-, sorten- und jahrgangsabhängig. Die höchsten Gehalte an farblosen Phenolen wurden im Rahmen dieser Arbeit für Aroniasaft und –konzentrat (1000 mg/L) gemessen. Während der Lagerung blieben die Werte für 4 °C in fast allen Proben relativ stabil, wohingegen für 20 °C bereits deutliche Abnahmen, insbesondere der Phenolcarbonsäuren und Flavan-3-ole, gemessen wurden. Die temperaturabhängige Abnahme von Flavan-3-olen in rotem Traubensaft cv. Spätburgunder steht wahrscheinlich im Zusammenhang mit der Bildung von Anthocyan-Tannin-Addukten, diese konnten als solche nach Größenausschlusschromatographie und anschließender LC-MS-Analytik identifiziert werden. Die Anthocyangehalte der originären Anthocyane (berechnet als Cya-3-glc bzw. Mal-3-glc, HPLC) nahmen in Abhängigkeit von der Lagertemperatur und der Lagerdauer in allen untersuchten Proben deutlich ab. Der Vergleich der aus den kinetischen Berechnungen auf der Basis der HPLC-Daten hervor gehenden Halbwertszeiten der Anthocyane verdeutlicht die unterschiedlichen Stabilitäten in den Säften. Generell ging eine hohe Ausgangskonzentration an Anthocyanen auch mit einer höheren Halbwertszeit und damit einer höheren Stabilität einher. Mit der Anthocyankonzentration (HPLC) korreliert der Monomerindex (pH-Shift-Methode), der auch als Marker zur Beschreibung der Alterung von Anthocyanen geeignet ist. Ein weiterer Schwerpunkt lag bei der Erhaltung der Farbe auf dem Zusatz von farblosen Phenolen, die durch sogenannte Copigmentierungsreaktionen Anthocyane stabilisieren. Während sich einige farblose Phenole (Kaffeesäure, Coumarsäure, Chlorogensäure) in Modellversuchen farbstabilisierend auf das Anthocyan Cyanidin-3-glucosid auswirkten, haben sich die verhältnismäßig geringen Konzentrationen in rotem Traubensaft nicht positiv bemerkbar gemacht. Die erst durch sehr hohe Dosen an Copigmenten eintretende Farbstabilisierung ist für die Praxis nicht realistisch und finanziell nicht umsetzbar. Ein stark farbdestabilisierender Effekt sowie eine deutliche Verstärkung der Bräunung sowohl in den Modelllösungen als auch in Realmedien wurden beim Zusatz von Ascorbinsäure beobachtet. Basierend auf den Ergebnissen aller Lagerstudien können klare Empfehlungen für die Eindämmung von Alterungsprozessen ausgesprochen werden: 1. Sehr gute Qualität der Rohware (reich insbesondere an Anthocyanen) 2. Vermeidung von Prozessschritten und Behandlungsmaßnahmen während der Verarbeitung, die eine starke Abnahme des Anthocyangehaltes verursachen (z.B. durch kurze Erhitzungsprozesse, Ausschluss von Sauerstoff, möglichst niedrige Verarbeitungstemperaturen, Inaktivierung von Polyphenoloxidasen) 3. Dauerhaft niedrige Lagertemperaturen (ca. 4 °C) 4. Lichtausschluss während der Lagerung 5. Möglichst kurze Lagerdauer, entsprechend des jeweiligen Produktes 6. Kein Zusatz von farblosen Phenolen als Copigmente sowie Ascorbinsäure, evtl. Verschnitt mit sehr farbintensiven Buntsäften 7. Lagerung als Direktsaft Für die Praxis können unter Berücksichtigung dieser Aspekte Grundlagen geschaffen werden, die Qualität von Buntsäften zu erhalten und im Hinblick der aktuellen functional food Diskussion einen Beitrag zu einem gesundheitsbewussten Lebenstil mit natürlichen Lebensmitteln zu leisten.
Feature Based Visualization
(2007)
In this thesis we apply powerful mathematical tools such as interval arithmetic for applications in computational geometry, visualization and computer graphics, leading to robust, general and efficient algorithms. We present a completely novel approach for computing the arrangement of arbitrary implicit planar curves and perform ray casting of arbitrary implicit functions by jointly achieving, for the first time, robustness, efficiency and flexibility. Indeed we are able to render even the most difficult implicits in real-time with guaranteed topology and at high resolution. We use subdivision and interval arithmetic as key-ingredients to guarantee robustness. The presented framework is also well-suited for applications to large and unstructured data sets due to the inherent adaptivity of the techniques that are used. We also approach the topic of tensors by collaborating with mechanical engineers on comparative tensor visualization and provide them with helpful visualization paradigms to interpret the data.
Durchlaufende Verbundträger können mit dem Fließgelenkverfahren berechnet werden. Bei dieser Methode werden die plastischen Querschnitts- und Systemreserven ausgenutzt. Bisher war bei der Anwendung der Fließgelenktheorie die Betrachtung von großen Öffnungen im Steg nicht geklärt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden durchlaufende Verbundträger mit Öffnungen experimentell und numerisch untersucht. Mit den ermittelten Ergebnissen wurden zwei Bemessungsmodelle entwickelt, mit denen solche Verbundträger bemessen werden können. Bei dem ersten Bemessungsmodell handelt es sich um ein elastisch-plastisches Nachweisverfahren. Das Verfahren beruht auf einer elastischen Schnittgroßenermittlung, bei dem die Querschnitte plastisch nachgewiesen werden. Nach dem zweiten Nachweisverfahren werden die Durchlaufträger nach der Fließgelenktheorie plastisch-plastisch berechnet. Über die plastischen Tragfähigkeiten der Querschnitte werden die plastischen Systemreserven rechnerisch ausgenutzt. Dazu werden die möglichen kinematischen Ketten des Systems zusammengestellt und die jeweiligen Traglasten ermittelt.
The thesis is concerned with multiscale approximation by means of radial basis functions on hierarchically structured spherical grids. A new approach is proposed to construct a biorthogonal system of locally supported zonal functions. By use of this biorthogonal system of locally supported zonal functions, a spherical fast wavelet transform (SFWT) is established. Finally, based on the wavelet analysis, geophysically and geodetically relevant problems involving rotation-invariant pseudodifferential operators are shown to be efficiently and economically solvable.