Refine
Year of publication
- 2008 (63) (remove)
Document Type
- Doctoral Thesis (63) (remove)
Has Fulltext
- yes (63)
Keywords
- Streptococcus pneumoniae (4)
- Cluster (3)
- Clusterion (3)
- Eisen (3)
- Finite-Elemente-Methode (3)
- Gasphase (3)
- Massenspektrometrie (3)
- Materialermüdung (3)
- Visualisierung (3)
- Adipinsäure (2)
Faculty / Organisational entity
- Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik (17)
- Kaiserslautern - Fachbereich Mathematik (15)
- Kaiserslautern - Fachbereich Chemie (13)
- Kaiserslautern - Fachbereich Biologie (7)
- Kaiserslautern - Fachbereich Informatik (5)
- Kaiserslautern - Fachbereich ARUBI (3)
- Kaiserslautern - Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik (3)
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.
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.
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.
Sublimation (Evaporation) is widely used in different industrial applications. The important applications are the sublimation (evaporation) of small particles (solid and liquid), e.g., spray drying and fuel droplet evaporation. Since a few decades, sublimation technology has been used widely together with aerosol technology. This combination is aiming to get various products with desired compositions and morphologies. It can be used in the fields of nanoparticles generation, particle coating through physical vapor deposition (PVD) and particle structuring. This doctoral thesis deals with the experimental and theoretical investigations of sublimation (evaporation) kinetics of fine aerosol particles (droplets). The experimental study was conducted in a test plant including on-line control of the most important paramters, such as heating temperature, gas flow and pressure. On-line and in-line particle measurements (Optical sensor, APS) were employed. Relevant parameters in sublimation (evaporation) such as heating temperature, particle concentration and aerosol residence time were investigated. Polydispersed particles (droplets) were introduced into the test plant as precursor aerosols. Two kinds of materials were used as test materials, including inorganic particles of NH4Cl and organic particles of DEHS. NH4Cl particles with smooth surface and porous structure were put into the experiments, respectively. The influence of the particle morphology on the sublimation process was studied. Basing on the experiments, different theoretical models were developed. The simulation results under different parameters were compared with experimental results. The change of concentration of particles was specially discussed. The discussion was focused on the relationship of the total particle concentration and the change of single particles with diverse initial diameters. The study of the sublimation kinetics of particles with different morphologies and different specific surface areas was carried out. The factor of increased surface area on the sublimation process was taken into the simulation and the results were compared with experimental results. A sublimation (evaporation) kinetics was investigated in this thesis. Basing on the property of a material, such as molecular weight, molecular size and vapor pressure, the sublimation (evaporation) kinetics was described. The optimum sublimation (evaporation) conditions with respect to the material properties were advanced. A Phase Transition Effect during the sublimation (evaporation) was found, which describes the increase of the large particles on the cost of small particles. A similar effect is observed in crystal suspension (called Ostwald ripening) but with another physical background. In order to meet the need of in-line particle measurement, a hot gas sensor (O.P.C.) was developed in this study, for measuring the particle size and the size distribution of an aerosol. With the newly developed measuring cell, the operating conditions of the aerosol could be increased up to 500°C.
Ein Beitrag zu Optimierung der Informationslogistik im Ersatzteilwesen der Automobilindustrie
(2008)
Die Informationslogistik als die richtige Information zur richtigen Zeit am richtigen Ort ist heutzutage im Ersatzteilwesen der Automobilindustrie nicht ideal ausgeführt. Redundante Informationen wie auch historisch gewachsene, heute nicht mehr benötigte Informationen stehen fehlenden Informationen gegenüber. Medienbrüche führen zu Fehlern und hohem Aufwand. Auf der anderen Seite stellt das Ersatzteilwesen der Automobilindustrie aus Sicht der Information ein komplexes Umfeld dar. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Dissertation ein Vorgehensmodell entwickelt, mit dem strukturiert ein Grobkonzept für eine optimierte Informationslogistik erstellt werden kann. Die Arbeitsschritte sind an die Konstruktionsmethodik im Maschinenbau angelehnt. Das Vorgehensmodell ist dabei nicht auf spezielle Informationstechnologien wie beispielsweise die aktuell vielfach diskutierte Radiofrequenzidentifikation (RFID) festgelegt. Das Ergebnis des Vorgehensmodells ist ein Grobkonzept, welches den Informationen in ihrem Lebenszyklus optimiert Technologie und Speicherort in Bezug zu den Prozessen zuweist. Gleichzeitig werden wichtige Eigenschaften der Technologien wie z.B. die benötigte Speichergröße definiert. Das so erarbeitete Grobkonzept stellt eine fundierte Grundlage für die anschließende Feinplanung der Informationslogistik dar.
Dry Sliding and Rolling Tribotests of Carbon Black Filled EPDM Elastomers and Their FE Simulations
(2008)
Unlubricated sliding systems being economic and environmentally benign are already realized in bearings, where dry metal-plastic sliding pairs successfully replace lubricated metal-metal ones. Nowadays, a considerable part of the tribological research concentrates to realize unlubricated elastomer-metal sliding systems, and to extend the application field of lubrication-free slider elements. In this Thesis, characteristics of the dry sliding and friction are investigated for elastomer-metal sliding pairs. In this study ethylene-propylene-diene rubbers (EPDM) with and without carbon black (CB) filler were used. The filler content of the EPDMs was varied: EPDMs with 0-, 30-, 45- and 60 part per hundred rubber (phr) CB amount were investigated. Quasistatic tension and compression tests and dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) were carried out to analyze the static a viscoelastic behavior of the EPDMs. The tribological properties of the EPDMs were investigated using dry roller (metal) – on – plate (rubber) type tests (ROP). During the ROP tests the normal load was varied. The coefficient of friction (COF) and the temperature were registered online during the tests, the loss volumes were determined after certain test durations. The worn surfaces of the rubbers and of the steel counterparts were analyzed using scanning electron microscope (SEM) to determine the wear mechanisms. Because possible chemical changes may take place during dry sliding due to the elevated contact temperature the chemical composition of the surfaces was also analyzed before and after the tribotests. For the latter investigations X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), sessil drop tests and Raman spectroscopy were used. In addition, the dry sliding tribotests were simulated using finite element (FE) codes for the better understanding of the related wear mechanisms. Finally, as the internal damping effect of the elastomers plays a great role in the sliding wear process, their viscoelasticity has been taken into account. The effect of viscoelasticity was shown on example of rolling friction. To study the rolling COF for the EPDM with 30 phr CB (EPDM 30) an FE model was created which considered the viscoelastic behavior of the rubber during rolling. The results showed that the incorporated CB enhanced the mechanical and tribological properties (both COF and wear rate have been reduced) of the EPDMs. Further on, the CB content of the EPDM influences fundamentally the observed wear mechanisms. The wear characteristics changed also with the applied normal load. In case of the EPDM 30 a rubber tribofilm was found on the steel counterpart when tests were performed at high normal loads. Analysis of the chemical composition of the surfaces before and after the wear tests does not result in notable changes. It was demonstrated, that the FE method is powerful tool to model both, the dry sliding and rolling performances of elastomers.
This thesis shows an approach to combine the advantages of MBS tyre models and FEM models for the use in full vehicle simulations. The procedure proposed in this thesis aims to describe a nonlinear structure with a Finite Element approach combined with nonlinear model reduction methods. Unlike most model reduction methods - as the frequently used Craig-Bampton approach - the method of Proper Orthogonal Decomposition (POD) offers a projection basis suitable for nonlinear models. For the linear wave equation, the POD method is studied comparing two different choices of snapshot sets. Set 1 consists of deformation snapshots, and set 2 additionally contains velocities and accelerations. An error analysis proves no convergence guarantee for deformations only. For inclusion of derivatives it yields an error bound diminishing for small time steps. The numerical results show a better behaviour for the derivative snapshot method, as long as the sum of the left-over eigenvalues is significant. For the reduction of nonlinear systems - especially when using commercial software - it is necessary to decouple the reduced surrogate system from the full model. To achieve this, a lookup table approach is presented. It makes use of the preceding computation step with the full model necessary to set up the POD basis (training step). The nonlinear term of inner forces and the stiffness matrix are output and stored in a lookup table for the reduced system. Numerical examples include a nonlinear string in Matlab and an airspring computed in Abaqus. Both examples show that effort reductions of two orders of magnitude are possible within a reasonable error tolerance. The lookup approaches perform faster than the Trajectory Piecewise Linear (TPWL) method and produce comparable errors. Furthermore, the Abaqus example shows the influence of training excitation on the quality of the reduced model.
In recent years, formal property checking has become adopted successfully in industry and is used increasingly to solve the industrial verification tasks. This success results from property checking formulations that are well adapted to specific methodologies. In particular, assertion checking and property checking methodologies based on Bounded Model Checking or related techniques have matured tremendously during the last decade and are well supported by industrial methodologies. This is particularly true for formal property checking of computational System-on-Chip (SoC) modules. This work is based on a SAT-based formulation of property checking called Interval Property Checking (IPC). IPC originates in the Siemens company and is in industrial use since the mid 1990s. IPC handles a special type of safety properties, which specify operations in intervals between abstract starting and ending states. This paves the way for extremely efficient proving procedures. However, there are still two problems in the IPC-based verification methodology flow that reduce the productivity of the methodology and sometimes hamper adoption of IPC. First, IPC may return false counterexamples since its computational bounded circuit model only captures local reachability information, i.e., long-term dependencies may be missed. If this happens, the properties need to be strengthened with reachability invariants in order to rule out the spurious counterexamples. Identifying strong enough invariants is a laborious manual task. Second, a set of properties needs to be formulated manually for each individual design to be verified. This set, however, isn’t re-usable for different designs. This work exploits special features of communication modules in SoCs to solve these problems and to improve the productivity of the IPC methodology flow. First, the work proposes a decomposition-based reachability analysis to solve the problem of identifying reachability information automatically. Second, this work develops a generic, reusable set of properties for protocol compliance verification.
Organische Moleküle lösen zunehmend anorganische Verbindungen wegen ihrer schnelleren bzw. kostengünstigeren Herstellung sowie der leichteren Modifikation ihrer Eigenschaften als Grundlage neuer hocheffizienter Materialien mit optischen und dielektrischen Anisotropien in der technischen Anwendung ab. Zusätzlich bieten Prozesse der supramolekularen Chemie zur Selbstorganisation niedermolekularer Bausteine nach dem Vorbild der Natur neue Möglichkeiten makroskopische Systeme mit maßgeschneiderter Funktionalität zu erzeugen. Diese supramolekularen Aggregate bilden sich auf Grund unspezifischer und spezifischer Wechselwirkungen ihrer Bausteine, die sich in Veränderungen der elektronischen Struktur sowie anderer molekularer Eigenschaften widerspiegelt. Mittels elektrooptischer Absorptionsmessung (EOAM) können die Dipolmomente des Grund- und Anregungszustandes von Verbindungen in Lösung bestimmt sowie die Anisotropie der (Hyper-)Polarisierbarkeit abgeschätzt werden. Die EOA-Spektroskopie stellte die Methode der Wahl dar, organische Moleküle bzw. ihre supramolekularen Aggregate für Materialien mit gewünschter Funktionalität zu identifizieren Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein vollautomatisiertes Spektrometer zur Bestimmung der Elektrochromie von Molekülen in Lösung erfolgreich konstruiert, aufgebaut und in Betrieb genommen. Die computergestützte Automatisierung der Apparatur ermöglichte die schnellere und bessere Charakterisierung einer Vielzahl unterschiedlichster Verbindungen. Durch die höhere spektrale Auflösung konnten überlagerte Absorptionsbanden einer bzw. verschiedener Spezies in Lösung durch neu entwickelte bzw. verfeinerte Analyseverfahren identifiziert und erstmal quantitativ ausgewertet werden. Hierdurch konnte erfolgreich demonstriert werden, dass die EOA-Spektroskopie zahlreiche Beiträge zur Analyse vielfältiger Fragestellungen liefern kann, die mittels anderer Techniken unter den experimentellen Bedingungen nicht zugänglich sind. Neben der Charakterisierung zahlreicher Verbindungen für die Anwendung in organischen Solarzellen, bei der Frequenzverdopplung und für die holographische Speicherung lag der Schwerpunkt der experimentellen Arbeiten im Nachweis und der Untersuchung der Interaktion von organischen Molekülen durch spezifische und unspezifische Wechselwirkungen. Dabei konnten Veränderungen der Konformation bei Rezeptoren durch die Komplexierung eines Gast-Moleküles nachgewiesen werden. Darüber hinaus gelang es erstmals mit Hilfe der EOA-Spektroskopie, Strukturparameter von Komplexen in flüssiger Lösung zu erhalten. Durch konkurrierende Wechselwirkung der Orientierung dipolarer Merocyanine konnten Komplexe mit sehr kleinen und den derzeit größten bekannten Dipolmomenten erzeugt werden. Die Variation der Feldstärken interner und externer elektrischer Felder bzw. die Konzepte der supramolekularen Chemie bieten in Zukunft neben den bestehenden Verfahren zur Modifikation organischer Moleküle neue Möglichkeiten, effiziente und funktionelle Materialien zu erzeugen.
Untersuchungen zu Spincrossover und Valenztautomerie an an Eisen(II)- bzw. Kobalt(II)-Komplexen
(2008)
Mit den Komplexen [Fe(L-N4H2)(NCS)2]∙MeOH (1) und [Fe(L-N2S2)(NCS)2]∙0,5 DMF (2) konnten zwei neue Spincrossover-Verbindungen synthetisiert werden, die Thiocyanat-Anionen als Liganden beinhalten. Die magnetischen Untersuchungen für Komplex 1 wurden aufgrund der verwitterungsanfälligen Kristalle mit einer lösungsmittelfreien Probe ([Fe(L-N4H2)(NCS)2]) durchgeführt. Sowohl die SQUID-Magnetometrie als auch die Mößbauer-Spektroskopie zeigen hierbei einen unvollständigen Spinübergang, bei dem bei tiefen Temperaturen ein high-spin Restanteil von 30 % verbleibt. Die Übergangstemperatur beträgt T1/2 = 141 K, für Komplex 2 wird ein Wert von T1/2 = 232 K gefunden. Der Komplex [Fe(L-N4tBu2)(CN)2]•MeCN (3) ist das erste Beispiel einer eisen(II)-haltigen low-spin Verbindung, die den makrozyklischen Pyridinophanliganden L-N4tBu2 enthält. Durch die Verwendung von Coliganden mit geringerer Ligandenfeldstärke (verglichen zum Cyanid-Anion) gelang es in der vorliegenden Arbeit erstmals, Spincrossover-Komplexe mit dem Liganden L-N4tBu2 zu synthetisieren. Dabei handelt es sich um die Eisen(II)-Komplexe [Fe(L-N4tBu2)(bipy)](BPh4)2•MeCN•Et2O (4), [Fe(L-N4tBu2)(phen)](BPh4)2•Et2O (5a), [Fe(L-N4tBu2)(phen)](BPh4)2•MeCN (5b), [Fe(L-N4tBu2)(dppz)](BPh4)2 (6) sowie [Fe(L-N4tBu2)(bpym)](BPh4)2•MeCN (7), bei denen aromatische Diimine als Coliganden eingesetzt wurden. Die Röntgenstrukturanalysen zeigen mehr oder weniger ausgeprägte Bindungslängenunterschiede, die jeweils auf einen Spincrossover schließen lassen. Die magnetischen Untersuchungen zeigen für die Komplexe 4 (T1/2 = 177 K), 5a (T1/2 = 179 K), 5b (T1/2 ≈ 347 K), 6 (T1/2 = 275 K) und 7 (T1/2 ≈ 335 K) Spinübergänge mit unterschiedlichen Verläufen und Übergangstemperaturen. Besonders hervorzuheben sind dabei die analogen Komplexe 5a und 5b, die sich zwar lediglich durch das im Kristallgitter eingebaute Lösungsmittelmolekül unterscheiden, jedoch völlig verschiedene magnetische Eigenschaften und Spinübergangsarten aufweisen. Neben den einkernigen low-spin Komplexen [Fe(L-N4Me2)(bpym)](ClO4)2 (8) und [Fe(L-N4Me2)(BiBzIm)]∙4 MeOH (9) konnten erstmals mit dem Pyridinophanliganden L-N4Me2 zweikernige Spincrossover-Komplexe hergestellt werden. Der zweikernige Komplex [{Fe(L-N4Me2)}2(BiBzIm)](ClO4)2∙2 EtCN (10) zeigt bei T = 175 K einen abrupten high-spin/high-spin→high-spin/low-spin Übergang. Nur eines der beiden Eisen(II)-Ionen geht beim Abkühlen vom high-spin in den low-spin Zustand über. In der Kristallstruktur können bei tiefen Temperaturen die beiden unterschiedlichen Eisen(II)-Zentren genau lokalisiert werden. Ein solcher high-spin/high-spin→high-spin/low-spin Übergang wird auch für [{Fe(L-N4Me2)}2(BzImCOO)](ClO4)2∙0.5 (CH3)2CO (11) beobachtet. Die Übergangstemperatur beträgt hier T = 210 K. Das high-spin und das low-spin Eisen(II)-Ion können in dieser Kristallstruktur bei tiefer Temperatur ebenfalls genau identifiziert werden. Bei dem Komplex [{Fe(L-N4Me2)}2(pndc)](ClO4)2∙H2O (12) handelt es sich ebenfalls um einen zweikernigen Spincrossover-Komplex, der einen vollständigen Spinübergang aufweist (T1/2 ≈ 260 K). Die Untersuchungen zur Valenztautomerie wurden an Kobalt-Komplexen mit dem redoxaktiven Liganden 3,5-Di-tert-butylcatecholat und den makrozyklischen Pyridinophan-liganden L-N4Me2 und L-N4tBu2 durchgeführt. Die Röntgenstrukturanalyse weist Verbindung [Co(L-N4Me2)(dbc)](BPh4) (13) als diamagnetische low-spin Kobalt(III)-Catecholat-Spezies aus. Die C-C-Bindungen und die C-O-Abstände belegen, dass der Dioxolenligand in der Catecholat-Form vorliegt. Außerdem sind die Co-N- und die Co-O-Bindungslängen sehr kurz, was auf das low-spin Kobalt(III)-Ion zurückzuführen ist. Bei Komplex [Co(L-N4tBu2)(dbsq)](B(C6H4Cl)4) (14) handelt es sich hingegen um eine paramagnetische Kobalt(II)-Semichinonat-Verbindung. In der Kristallstruktur ist im kompletten Temperaturbereich das typische Bindungsschema eines Semichinonatliganden zu erkennen. Dagegen unterscheiden sich die Co-N- und die Co-O-Abstände bei den verschiedenen Messtemperaturen deutlich voneinander. Während die kürzeren Bindungs-längen bei T = 100 K eindeutig auf ein low-spin Kobalt(II)-Ion schließen lassen, legen die bei T = 400 K deutlich elongierten Bindungslängen einen beginnenden Spinübergang in den high-spin Zustand nahe. Dieser Befund wird durch die SQUID-Messung unterstützt, bei der im Temperaturintervall von 50 K bis 200 K konstante Werte für χMT bzw. für µeff gefunden werden, während die Werte für T > 200 K deutlich ansteigen und somit auf einen Spincrossover hinweisen.
We present a new efficient and robust algorithm for topology optimization of 3D cast parts. Special constraints are fulfilled to make possible the incorporation of a simulation of the casting process into the optimization: In order to keep track of the exact position of the boundary and to provide a full finite element model of the structure in each iteration, we use a twofold approach for the structural update. A level set function technique for boundary representation is combined with a new tetrahedral mesh generator for geometries specified by implicit boundary descriptions. Boundary conditions are mapped automatically onto the updated mesh. For sensitivity analysis, we employ the concept of the topological gradient. Modification of the level set function is reduced to efficient summation of several level set functions, and the finite element mesh is adapted to the modified structure in each iteration of the optimization process. We show that the resulting meshes are of high quality. A domain decomposition technique is used to keep the computational costs of remeshing low. The capabilities of our algorithm are demonstrated by industrial-scale optimization examples.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation konnten wichtige Ergebnisse zur Charakterisierung des neuartigen Nukleotidtransporters AtNTT3 gewonnen werden. Die vorgeschlagenen Spleißvarianten des AtNTT3 wurden erfolgreich in Gesamtblüten-, Pollen- und Wurzelgewebe nachgewiesen. Zusätzlich konnte in diesen Geweben die stärkste AtNTT3-Promotoraktivität gezeigt werden. Die subzelluläre Expression der AtNTT3-Proteine wurde mit Hilfe von GFP-Fusionskonstrukten untersucht und untermauert eine außergewöhnliche Lokalisierung von zwei der drei untersuchten Proteinvarianten (AtNTT3-2 und AtNTT3-3) in der pflanzlichen Plasmamembran. Für AtNTT3-1 kann ein anderer Insertionsort, wie beispielsweise die Membranen des ER, nicht ausgeschlossen werden. Insgesamt ist AtNTT3 damit der erste pflanzliche Nukleotidtransporter der NTTFamilie, der nicht in den Plastiden lokalisiert ist. Die Hauptfunktion des AtNTT3 und seinen Spleißvarianten besteht in dem Transport von Nukleotiden. ATP, ADP und auch dATP konnten als favorisierte Importsubstrate identifiziert werden. Obwohl die heterolog exprimierten AtNTT3-Varianten im Vergleich mit strukturell ähnlichen Nukleotidtransportern eine geringe Transportaktivität zeigten, konnte ein spezifischer Transport der Substrate ATP und ADP verifiziert werden. Weiterhin wurde eine homozygote AtNTT3-KO-Linie identifiziert und damit eine Vielzahl von Versuchen zur physiologischen Rolle des AtNTT3 durchgeführt. Bisher konnten keine Hinweise auf einen veränderten Stoffwechsel der KO-Mutanten erhalten werden. Zusätzlich wurden AtNTT3-Überexpressionsmutanten hergestellt, um eine weiterführende detaillierte Analyse vorzubereiten. Wenngleich die physiologische Funktion des untersuchten Membranproteins im Rahmen dieser Arbeit nicht vollständig geklärt werden konnte, zeigen die Ergebnisse jedoch deutlich, dass es sich bei AtNTT3-2 und AtNTT3-3 um plasmamembranständige Nukleotidtransporter handelt. Aufgrund des vorliegenden Expressionsmusters, der subzellulären Lokalisierung und der transportierten Substrate liegt eine Beteiligung der Spleißvarianten am extrazellulären Nukleotidstoffwechsel nahe. Transportstudien indizieren für AtNTT3-1 das gleiche Substratspektrum, die Expression auf Zellebene muss aber nochmals überprüft werden, bevor hier eine konkrete Aussage möglich ist.
In this thesis, the coupling of the Stokes equations and the Biot poroelasticity equations for fluid flow normal to porous media is investigated. For that purpose, the transmission conditions across the interfaces between the fluid regions and the porous domain are derived. A proper algorithm is formulated and numerical examples are presented. First, the transmission conditions for the coupling of various physical phenomena are reviewed. For the coupling of free flow with porous media, it has to be distinguished whether the fluid flows tangentially or perpendicularly to the porous medium. This plays an essential role for the formulation of the transmission conditions. In the thesis, the transmission conditions for the coupling of the Stokes equations and the Biot poroelasticity equations for fluid flow normal to the porous medium in one and three dimensions are derived. With these conditions, the continuous fully coupled system of equations in one and three dimensions is formulated. In the one dimensional case the extreme cases, i.e. fluid-fluid interface and fluid impermeable solid interface, are considered. Two chapters of the thesis are devoted to the discretisation of the fully coupled Biot-Stokes system for matching and non-matching grids, respectively. Therefor, operators are introduced that map the internal and boundary variables to the respective domains via Stokes equations, Biot equations and the transmission conditions. The matrix representation of some of these operators is shown. For the non-matching case, a cell-centred grid in the fluid region and a staggered grid in the porous domain are used. Hence, the discretisation is more difficult, since an additional grid on the interface has to be introduced. Corresponding matching functions are needed to transfer the values properly from one domain to the other across the interface. In the end, the iterative solution procedure for the Biot-Stokes system on non-matching grids is presented. For this purpose, a short review of domain decomposition methods is given, which are often the methods of choice for such coupled problems. The iterative solution algorithm is presented, including details like stopping criteria, choice and computation of parameters, formulae for non-dimensionalisation, software and so on. Finally, numerical results for steady state examples, depth filtration and cake filtration examples are presented.
Rapid growth in sensors and sensor technology introduces variety of products to the market. The increasing number of available sensor concepts and implementations demands more versatile sensor electronics and signal conditioning. Nowadays signal conditioning for the available spectrum of sensors is becoming more and more challenging. Moreover, developing a sensor signal conditioning ASIC is a function of cost, area, and robustness to maintain signal integrity. Field programmable analog approaches and the recent evolvable hardware approaches offer partial solution for advanced compensation as well as for rapid prototyping. The recent research field of evolutionary concepts focuses predominantly on digital and is at its advancement stage in analog domain. Thus, the main research goal is to combine the ever increasing industrial demand for sensor signal conditioning with evolutionary concepts and dynamically reconfigurable matched analog arrays implemented in main stream Complementary Metal Oxide Semiconductors (CMOS) technologies to yield an intelligent and smart sensor system with acceptable fault tolerance and the so called self-x features, such as self-monitoring, self-repairing and self-trimming. For this aim, the work suggests and progresses towards a novel, time continuous and dynamically reconfigurable signal conditioning hardware platform suitable to support variety of sensors. The state-of-the-art has been investigated with regard to existing programmable/reconfigurable analog devices and the common industrial application scenario and circuits, in particular including resource and sizing analysis for proper motivation of design decisions. The pursued intermediate granular level approach called as Field Programmable Medium-granular mixed signal Array (FPMA) offers flexibility, trimming and rapid prototyping capabilities. The proposed approach targets at the investigation of industrial applicability of evolvable hardware concepts and to merge it with reconfigurable or programmable analog concepts, and industrial electronics standards and needs for next generation robust and flexible sensor systems. The devised programmable sensor signal conditioning test chips, namely FPMA1/FPMA2, designed in 0.35 µm (C35B4) Austriamicrosystems, can be used as a single instance, off the shelf chip at the PCB level for conditioning or in the loop with dedicated software to inherit the aspired self-x features. The use of such self–x sensor system carries the promise of improved flexibility, better accuracy and reduced vulnerability to manufacturing deviations and drift. An embedded system, namely PHYTEC miniMODUL-515C was used to program and characterize the mixed-signal test chips in various feedback arrangements to answer some of the questions raised by the research goals. Wide range of established analog circuits, ranging from single output to fully differential amplifiers, was investigated at different hierarchical levels to realize circuits like instrumentation amplifier and filters. A more extensive design issues based on low-power like for e.g., sub-threshold design were investigated and a novel soft sleep mode idea was proposed. The bandwidth limitations observed in the state of the art fine granular approaches were enhanced by the proposed intermediate granular approach. The so designed sensor signal conditioning instrumentation amplifier was then compared to the commercially available products in the market like LT 1167, INA 125 and AD 8250. In an adaptive prototype, evolutionary approaches, in particular based on particle swarm optimization with multi-objectives, were just deployed to all the test samples of FPMA1/FMPA2 (15 each) to exhibit self-x properties and to recover from manufacturing variations and drift. The variations observed in the performance of the test samples were compensated through reconfiguration for the desired specification.