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In this thesis we integrate discrete dividends into the stock model, estimate
future outstanding dividend payments and solve different portfolio optimization
problems. Therefore, we discuss three well-known stock models, including
discrete dividend payments and evolve a model, which also takes early
announcement into account.
In order to estimate the future outstanding dividend payments, we develop a
general estimation framework. First, we investigate a model-free, no-arbitrage
methodology, which is based on the put-call parity for European options. Our
approach integrates all available option market data and simultaneously calculates
the market-implied discount curve. We illustrate our method using stocks
of European blue-chip companies and show within a statistical assessment that
the estimate performs well in practice.
As American options are more common, we additionally develop a methodology,
which is based on market prices of American at-the-money options.
This method relies on a linear combination of no-arbitrage bounds of the dividends,
where the corresponding optimal weight is determined via a historical
least squares estimation using realized dividends. We demonstrate our method
using all Dow Jones Industrial Average constituents and provide a robustness
check with respect to the used discount factor. Furthermore, we backtest our
results against the method using European options and against a so called
simple estimate.
In the last part of the thesis we solve the terminal wealth portfolio optimization
problem for a dividend paying stock. In the case of the logarithmic utility
function, we show that the optimal strategy is not a constant anymore but
connected to the Merton strategy. Additionally, we solve a special optimal
consumption problem, where the investor is only allowed to consume dividends.
We show that this problem can be reduced to the before solved terminal wealth
problem.
Sandwichelemente aus Stahlbeton genügen zahlreichen Ansprüchen hinsichtlich
energetischer, wirtschaftlicher, architektonischer und gestalterischer Gesichtspunkte
sowie tragfähiger Konstruktionen. Neben Sandwichwänden können Sandwichelemente auch als biegebeanspruchte Bauteile wie Sandwichdecken oder Sandwichdächer eingesetzt werden. Das große Potential solcher Elemente kann jedoch aufgrund
fehlender Kenntnisse bezüglich des Last-Verformungs-Verhaltens bisher nicht ausgeschöpft werden.
Das Tragverhalten von Stahlbetonsandwichelementen wird maßgeblich durch die
Rissbildung in den Betonschichten beeinflusst. Während die Berücksichtigung der
Rissbildung beispielsweise bei der Verformungsberechnung von biegebeanspruchten
Stahlbetonbauteilen schon intensiv erforscht wurde und realitätsnah beschrieben werden kann, steht die Entwicklung einer abschnittsweisen Berücksichtigung der reduzierten Dehn- und Biegesteifigkeiten infolge der Rissbildung für biegebeanspruchte Sandwichelemente aufgrund der höheren Komplexität noch am Anfang. Bisher existieren
nur Modelle, die die Rissbildung im Beton von Sandwichelementen für die Berechnung
der Teilschnittgrößen und der Verformung näherungsweise berücksichtigen. Die Anwendung dieser Rissmodelle ist aber aufgrund verschiedener Annahmen und Vereinfachungen, die diesen Modellen zugrunde liegen, für die in dieser Arbeit untersuchten
Sandwichelemente mit Stahlbetontragschichten nicht geeignet.
Mithilfe eines realitätsnahen Ansatzes zur Bestimmung des Schubmoduls eines
Dämmstoffes, der Auswahl eines geeigneten Verfahrens zur Berechnung des Last-
Verformungs-Verhaltens eines Stahlbetonbauteils einschließlich der Berücksichtigung
der Rissbildung sowie eines Modellvorschlags zur Nachrechnung der Schubversuche
an Sandwichelementen wird ein eigenes Ingenieurmodell zur Nachrechnung des Last-
Verformungs-Verhaltens von biegebeanspruchten Sandwichelementen entwickelt.
Aufbauend auf diesem Ingenieurmodell erfolgt die Erstellung eines Berechnungswerkzeuges. Anhand der Nachrechnung zahlreicher Versuchsergebnisse kann gezeigt
werden, dass mit diesem Berechnungswerkzeug eine sehr gute Übereinstimmung der
rechnerisch ermittelten mit den im Versuch bestimmten Last-Verformungs-Kurven erzielt werden kann. Das neue Ingenieurmodell berücksichtigt sowohl die reduzierten
Dehn- und Biegesteifigkeiten infolge der Rissbildung als auch abschnittsweise unterschiedlich große Schubsteifigkeiten der Kernschicht, die sich aus der Anordnung von
stiftförmigen Verbundmitteln ergeben.
Basierend auf dem Ingenieurmodell sowie den umfangreichen experimentellen Untersuchungen zum Last-Verformungs-Verhalten von Sandwichelementen wird ein Berechnungswerkzeug sowie ein Bemessungskonzept für Stahlbetonsandwichelemente
mit stiftförmigen Verbundmitteln vorgestellt. Damit konnte ein Fortschritt erzielt und die
Grundlage für den Einsatz von Sandwichelementen mit Stahlbetontragschichten sowie
einer Kernschicht aus Dämmstoffplatten und stiftförmigen Verbundmitteln gelegt werden.
In this thesis, we deal with the finite group of Lie type \(F_4(2^n)\). The aim is to find information on the \(l\)-decomposition numbers of \(F_4(2^n)\) on unipotent blocks for \(l\neq2\) and \(n\in \mathbb{N}\) arbitrary and on the irreducible characters of the Sylow \(2\)-subgroup of \(F_4(2^n)\).
S. M. Goodwin, T. Le, K. Magaard and A. Paolini have found a parametrization of the irreducible characters of the unipotent subgroup \(U\) of \(F_4(q)\), a Sylow \(2\)-subgroup of \(F_4(q)\), of \(F_4(p^n)\), \(p\) a prime, for the case \(p\neq2\).
We managed to adapt their methods for the parametrization of the irreducible characters of the Sylow \(2\)-subgroup for the case \(p=2\) for the group \(F_4(q)\), \(q=p^n\). This gives a nearly complete parametrization of the irreducible characters of the unipotent subgroup \(U\) of \(F_4(q)\), namely of all irreducible characters of \(U\) arising from so-called abelian cores.
The general strategy we have applied to obtain information about the \(l\)-decomposition numbers on unipotent blocks is to induce characters of the unipotent subgroup \(U\) of \(F_4(q)\) and Harish-Chandra induce projective characters of proper Levi subgroups of \(F_4(q)\) to obtain projective characters of \(F_4(q)\). Via Brauer reciprocity, the multiplicities of the ordinary irreducible unipotent characters in these projective characters give us information on the \(l\)-decomposition numbers of the unipotent characters of \(F_4(q)\).
Sadly, the projective characters of \(F_4(q)\) we obtained were not sufficient to give the shape of the entire decomposition matrix.
Wird Rotwein im Holzfass gelagert, kommt es meist zu einer Intensivierung und Stabilisierung der Weinfarbe. Ursache ist der durch die Fassdauben diffundierende Sauerstoff, der Ethanol zu Acetaldehyd oxidiert. Dieses bildet Ethylidenbrücken zwischen Anthocyanen und Flavanolen, wodurch intensiv violett gefärbte Pigmente entstehen. Bisher wurden nur die dimeren ethyliden-verbrückten Anthocyan-Flavanol Addukte umfassend erforscht, die jedoch im Wein nicht stabil sind und zu Folgeprodukten reagieren. Deren Struktur ist bisher wenig erforscht. Ein Ziel dieser Arbeit bestand daher darin, die Reaktionsprodukte der ethyliden-verbrückten Anthocyan-Flavanol Dimere im Rotwein zu untersuchen. Dabei wurden erstmals Polyphenoladdukte mit bis zu drei Ethylidenbrücken massenspektrometrisch nachgewiesen. Dies zeigt, dass Weinpigmente durch die Bildung mehrerer Ethylidenbrücken polymerisieren können. Es wurden außerdem mehrere Pigmente gefunden, bei denen ein Anthocyan über zwei Ethylidenbrücken mit anderen Polyphenolen verbunden war. Dies widerlegt die bisherige Annahme, dass sich Anthocyane nur in terminalen Positionen eines polymeren Pigments befinden können. Durch die Quantifizierung ethyliden-verbrückter Di- und Trimere mittels Massenspektrometer wurde deutlich, dass diese Pigmente in höheren Konzentrationen im Rotwein vorliegen als bisher publiziert. Es zeigte sich außerdem, dass bis zu 50 % der durch den Sauerstoff bewirkten Abnahme von Anthocyanen und Flavanolen auf die Bildung ethyliden-verbrückter Di- und Trimere, sowie Vitisin B zurückführen lassen.
Heute werden in der Weinbereitung häufig Edelstahltanks eingesetzt, bei denen es, anders als in Holzfässern, kaum zu Sauerstoffeinträgen kommt. Eine Farbstabilisierung kann somit nicht stattfinden. Dem Rotwein können stattdessen durch das Verfahren der Mikrooxygenierung geringe Mengen Sauerstoff kontrolliert zugesetzt werden. Bei manchen Weinen führt dies jedoch zu einer verringerten Farbintensität statt zu einer Farbvertiefung. Anhand der insgesamt 21 im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Weine zeigte sich, dass Sauerstoff nur dann zu einer intensiveren Weinfarbe führt, wenn das Verhältnis von Tanninen zu Anthocyanen (TAV) unter einem Wert von 3 lag. Die Zunahme der Farbintensität war außerdem negativ mit den spektralphotometrisch zu bestimmenden kleinen (SPP) und großen polymeren Pigmenten (LPP) korreliert, sodass Sauerstoff nur bei geringen Konzentrationen dieser Pigmente zu höheren Farbintensitäten führte. Zudem wurde während der Mikrooxygenierung keine weitere Intensivierung der Weinfarbe erzielt, wenn der Gehalt der LPP den der SPP überstieg. Da LPP aufgrund ihrer Molekülgröße auch eine geringere Löslichkeit aufweisen, sollte ihre übermäßige Bildung vermieden werden. Die Bestimmung von TAV, SPP und LPP erlaubt es somit, die Wirkung von Sauerstoff auf die Weinfarbe vor der Anwendung der Mikrooxygenierung einschätzen und den Sauerstoffzusatz zu beenden, wenn aufgrund der analytischen Daten eine weitere Steigerung der Farbintensität nicht zu erwarten ist.
In einem weiteren Teil der Arbeit wurde untersucht, wie sich die Mikrooxygenierung auf die Lagerfähigkeit der Rotweine auswirkt, da Sauerstoff zu einer beschleunigten Reifung führen kann. Dabei zeigte sich, dass die Farbe des mikrooxygenierten Weines auch nach einer 12-monatigen Flaschenlagerung noch stabiler war als in der entsprechenden Kontrollvariante und der Effekt damit nachhaltig. In Geruch und Geschmack unterschied sich der mikrooxygenierte Wein hingegen nicht von der Kontrolle. Mikrooxygenierte Weine sind damit ebenso lagerfähig, wie ohne Sauerstoffzugabe erzeugte Weine.
European economic, social and territorial cohesion is one of the fundamental aims of the European Union (EU). It seeks to both reduce the effects of internal borders and enhance European integration. In order to facilitate territorial cohesion, the linkage of member states by means of efficient cross-border transport infrastructures and services is an important factor. Many cross-border transport challenges have historically existed in everyday life. They have hampered smooth passenger and freight flows within the EU.
Two EU policies, namely European Territorial Cooperation (ETC) and the Trans-European Transport Networks (TEN-T), promote enhancing cross-border transport through cooperation in soft spaces. This dissertation seeks to explore the influence of these two EU policies on cross-border transport and further European integration.
Based on an analysis of European, national and cross-border policy and planning documents, surveys with TEN-T Corridor Coordinators and INTERREG Secretariats and a high number of elite interviews, the dissertation will investigate how the objectives of the two EU policies were formally implemented in both soft spaces and the EU member states as well as which practical implementations have taken place. Thereby, the initiated Europeanisation and European integration processes will be evaluated. The analysis is conducted in nine preliminary case studies and two in-depth case studies. The cases comprise cross-border regions funded by the ETC policy that are crossed by a TEN-T corridor. The in-depth analysis explores the Greater Region Saar-Lor-Lux+ and the Brandenburg-Lubuskie region. The cases are characterised by different initial situations.
The research determined that the two EU policies support cross-border transport on different levels and, further, that they need to be better intertwined in order to make effective use of their complementarities. Moreover, it became clear that the EU policies have a distinct influence on domestic policy and planning documents of different administrative levels and countries as well as on the practical implementation. The final implementation of the EU objectives and the cross-border transport initiatives was strongly influenced by the member states’ initial situations – particularly, the regional and local transport needs. This dissertation concludes that the two EU policies cannot remove the entirety of the cross-border transport-related challenges. However, in addition to their financial investments in concrete projects, they promote the importance of cross-border transport and facilitate cooperation, learning and exchange processes. These are all of high relevance to cross-border transport development, driven by member states, as well as to further European integration.
The dissertation recommends that the transport planning competences of the EU in addition to the TEN-T network should not be enlarged in the future, but rather further transnational transport development tasks should be decentralised to transnational transport planning committees that are aware of regional needs and can coordinate a joint transport development strategy. The latter should be implemented with the support of additional EU funds for secondary and tertiary cross-border connections. Moreover, the potential complementarities of the transnational regions and transport corridors as well as the two EU policy fields should be made better use of by improving communication. This means that soft spaces, the TEN-T and ETC Policy as well as the domestic transport ministries and the domestic administrations that are responsible for the two EU policies need to intensify their cooperation. Furthermore, a focus of future ETC projects on topics that are of added value for the whole cross-border region or else that can be applied in different territorial contexts is recommended rather than investing in small-scale scattered expensive infrastructures and services that are only of benefit for a small part of the region. Additionally, the dissemination of project results should be enhanced so that the developed tools can be accessed by potential users and benefits become more visible to a wider society, despite the fact that they might not be measurable in numbers. In addition, the research points at another success factor for more concrete outputs: the frequent involvement of transport and spatial planners in transnational projects could increase the relation to planning practice. Besides that, advanced training regarding planning culture could reduce cooperation barriers.
Untersuchungen zur Acrylamid- und Acrolein-Exposition mittels Lebensmittel- und Humanbiomonitoring
(2018)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den hitzeinduzierten Lebensmittelkontaminanten Acrylamid und Acrolein. Acrylamid entsteht vorwiegend im Rahmen der Maillard-Reaktion beim Erhitzen von Lebensmitteln aus reduzierenden Zuckern und Aminosäuren (Mottram et al., 2002), wohingegen eine thermisch induzierte Acrolein-Bildung bisher vor allem in Fetten und Ölen beschrieben wurde (Ewert et al., 2014). Sowohl für Acrylamid als auch für Acrolein sind toxische Wirkungen nachgewiesen, sodass eine Expositionsabschätzung nötig ist, um eine Risikobewertung vornehmen zu können. Zur Abschätzung der Acrylamid-Exposition empfahl die European Food Safety Authority (EFSA) die Durchführung von Duplikatstudien, bei denen eine Bestimmung der Acrylamid-Gehalte in den verzehrfertigen Mahlzeiten (Duplikaten) erfolgen sollte, um genauere Informationen zu den Acrylamid-Gehalten von im Haushalt zubereiteten Lebensmitteln zu erhalten. Eine Analyse von Acrylamid-Metaboliten im Urin der Probanden der Duplikatstudien sollte zur Validierung der Biomarker erfolgen (EFSA, 2015). Eine entsprechend konzipierte neuntägige Humanstudie (I) wurde mit 14 Probanden unter Vorgabe eines Ernährungsplans in einer kontrollierten Umgebung durchgeführt. Die Auswertung dieser Studie erfolgte im Rahmen dieser Arbeit und ermöglichte es die Acrylamid-assoziierten Mercaptursäuren N-Acetyl-S-(2-carbamoylethyl)-L-cystein (AAMA) und N-Acetyl-S-(2-carbamoyl-2-hydroxyethyl)-L-cystein (GAMA) als Biomarker der alimentären Acrylamid-Exposition zu validieren. Zusätzlich gab die Humanstudie Hinweise auf das Vorliegen eines Basislevels der AAMA- und GAMA-Ausscheidung, welches möglicherweise auf einer endogenen Acrylamid-Bildung beruhte. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit stellte die Bestimmung der Acrolein-assoziierten Mercaptursäuren N-Acetyl-S-(3-hydroxypropyl)-L-cystein (HPMA) und N-Acetyl-S-(2-carboxyethyl)-L-cystein (CEMA) im Urin der Probanden der Humanstudie I sowie im Urin der Probanden einer weiteren Humanstudie (II) dar. Die Ausscheidung dieser Biomarker der Acrolein-Exposition wurde im Zusammenhang mit der Aufnahme von hocherhitzten Lebensmitteln betrachtet. Bei Humanstudie II handelte es sich um eine Studie, die mit Gemischtköstlern (n = 10) und Veganern (n = 10) über einen Zeitraum von zehn Tagen durchgeführt wurde. Anders als in Humanstudie I behielten die Probanden während des Studienzeitraums ihre Lebens- und Ernährungsgewohnheiten bei. Es zeigte sich bei Humanstudie I sowie Humanstudie II kein Zusammenhang zwischen der Ausscheidung der Acrolein-assoziierten Mercaptursäuren HPMA und CEMA und der Aufnahme von hocherhitzten Lebensmitteln. Unter kontrollierten Bedingungen (Humanstudie I) wurde eine konstante HPMA- und CEMA-Ausscheidung (Basislevel) beobachtet, wohingegen unter free living Bedingungen (Humanstudie II) zum Teil eine deutlich höhere HPMA- und CEMA-Ausscheidung nachgewiesen wurde. Dies legte den Einfluss einer nicht-alimentären exogenen Acrolein-Exposition auf die HPMA- und CEMA-Ausscheidung nahe.
Field-effect transistor (FET) sensors and in particular their nanoscale variant of silicon nanowire transistors are very promising technology platforms for label-free biosensor applications. These devices directly detect the intrinsic electrical charge of biomolecules at the sensor’s liquid-solid interface. The maturity of micro fabrication techniques enables very large FET sensor arrays for massive multiplex detection. However, the direct detection of charged molecules in liquids faces a significant limitation due to a charge screening effect in physiological solutions, which inhibits the realization of point-of-care applications. As an alternative, impedance spectroscopy with FET devices has the potential to enable measurements in physiological samples. Even though promising studies were published in the field, impedimetric detection with silicon FET devices is not well understood.
The first goal of this thesis was to understand the device performances and to relate the effects seen in biosensing experiments to device and biomolecule types. A model approach should help to understand the capability and limitations of the impedimetric measurement method with FET biosensors. In addition, to obtain experimental results, a high precision readout device was needed. Consequently, the second goal was to build up multi-channel, highly accurate amplifier systems that would also enable future multi-parameter handheld devices.
A PSPICE FET model for potentiometric and impedimetric detection was adapted to the experiments and further expanded to investigate the sensing mechanism, the working principle, and effects of side parameters for the biosensor experiments. For potentiometric experiments, the pH sensitivity of the sensors was also included in this modelling approach. For impedimetric experiments, solutions of different conductivity were used to validate the suggested theories and assumptions. The impedance spectra showed two pronounced frequency domains: a low-pass characteristic at lower frequencies and a resonance effect at higher frequencies. The former can be interpreted as a contribution of the source and double layer capacitances. The latter can be interpreted as a combined effect of the drain capacitance with the operational amplifier in the transimpedance circuit.
Two readout systems, one as a laboratory system and one as a point-of-care demonstrator, were developed and used for several chemical and biosensing experiments. The PSPICE model applied to the sensors and circuits were utilized to optimize the systems and to explain the sensor responses. The systems as well as the developed modelling approach were a significant step towards portable instruments with combined transducer principles in future healthcare applications.
Durch das Vernähen trockener Faservorformlinge vor der Harzinjektion werden vielfältige
Möglichkeiten eröffnet, um Faser-Kunststoff-Verbund-Strukturen gewichtsoptimiert
und gleichzeitig kostengünstig herzustellen. Durch die im Vergleich zur
Prepreg-Technik innovativere Prozesskette sind auch komplexe Geometrien, wie sie
beispielsweise in Lasteinleitungsbereichen vorliegen, automatisiert fertigbar. Die Einbringung
von strukturellen Vernähungen in Laminatdickenrichtung kann insbesondere
in Strukturbereichen mit dreidimensionalen Spannungszuständen die Delaminationsgefahr
durch eine Steigerung der interlaminaren Eigenschaften abmindern
und die Schadenstoleranz steigern. Allerdings erfordert eine vermehrte Anwendung
der Nähtechnik in der industriellen Praxis auch die Bereitstellung dreidimensionaler
mechanischer Werkstoffkennwerte, die im Konstruktions- und Auslegungsprozess
benötigt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden kohlenstofffaserverstärkte Multiaxialgelege-Laminate,
die im Flugzeugbau angewandt werden, strukturell vernäht und die durch den
Nähprozess entstehenden Reinharzgebiete sowie die Veränderung des relativen Faservolumengehaltes
erfasst. Bei der Bestimmung von intralaminaren Zug- und
Druckkennwerten wurden die Auswirkungen der Vernähung auch auf die Kerbdruckeigenschaften
untersucht. Zur Bestimmung von Elastizitäts- und Festigkeitskenngrößen
bei einer Zugbelastung senkrecht zur Laminatebene wurde ein Versuchskonzept
erarbeitet und die Potentiale der eingebrachten strukturellen Vernähung
ermittelt. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen der strukturellen Vernähung auf
die interlaminaren Schubfestigkeiten charakterisiert. Auch der Einfluss des Nähprozesses
auf die mechanischen Eigenschaften der verwendeten E-Glas-Garne
wurde experimentell erfasst.
Die Versuchsergebnisse zeigten Reduktionen der intralaminaren Kennwerte um bis
zu 12 %, bei den Kerbdruckversuchen wurden teilweise Steigerungen des Kerbfaktors
festgestellt, die bis zu 9 % betrugen. Der Zug-Elastizitätsmodul senkrecht zur
Laminatebene wurde generell gesteigert, im Maximum um 8 %. Für die Zugfestigkeit
wurden leichte Steigerungen um 4 %, aber auch Abnahmen um bis zu 12 % beobachtet.
Bei der interlaminaren Schubfestigkeit waren durchgehend Steigerungen
festzustellen, die maximal 11 % betrugen. Der Elastizitätsmodul und die Festigkeit
des Nähgarns wurden infolge des Nähprozess um bis 22 % bzw. 42 % verringert.
Der praxisgerechte Einsatz der strukturellen Nähtechnik erfordert neben fundierten
Werkstoffkennwerten auch Simulationswerkzeuge, die die Auswirkungen der 3DVerstärkung
abschätzen können. Somit könnte durch eine Vorauswahl geeigneter
Nähmuster der Aufwand für eine kosten- und zeitintensive Materialcharakterisierung
reduziert werden. Hierzu wurde auf ein parametrisch gesteuertes Finite-Elemente-
Einheitszellenmodell zur Vorhersage von intralaminaren Elastizitäts- und –Festigkeitskenngrößen
zurückgegriffen und dieses um die Vorhersage von Elastizitäts- und
Zugfestigkeitskenngrößen senkrecht zur Laminatebene erweitert. Im Rahmen der
Modellvalidierung und -kalibrierung wurden intensive Untersuchungen hinsichtlich
geeigneter Randbedingungen und mikromechanischer Ansätze zur Beschreibung der
unidirektionalen Einzelschicht des Laminats durchgeführt. Die mit dem weiterentwickelten
Einheitszellenmodell abgeschätzten mechanischen Kennwerte zeigten gute
Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen.
Teilsignalisierung von Knotenpunkten - Untersuchungen zu Verkehrsablauf und Einsatzmöglichkeiten -
(2018)
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Verkehrsablauf und Einsatzmöglichkeiten teilsignalisierter Knotenpunkte. An diesen sind nicht sämtliche, sondern nur bestimmte Verkehrsströme signaltechnisch geregelt. Erste Ansätze, sich dieses Verfahren zu Nutze zu machen, existieren seit den 1950er Jahren. Sie wurden ständig weiterentwickelt und schließlich nach Abschluss eines Forschungsprojektes der Bundesanstalt für Straßenwesen zu Nutzen, Kosten und Sicherheit Bestandteil der Richtlinien für Lichtsignalanlagen der FGSV (Neuauflage 2010).
Der Stand in Wissenschaft und Umsetzung im In- und Ausland weist dennoch bis heute Lücken auf. Für eine flächendeckende, praktische Realisierung fehlt es weiterhin an gesicherten Kenntnissen. Hier setzt diese Arbeit mit ihrem mehrstufigen Ansatz aus Literaturrecherche, Empirie, Mikrosimulation und konkreten Umsetzungsempfehlungen an.
Auf Basis der Literatur über signalisierte und unsignalisierte Knoten wurden Überlegungen zum Verkehrsablauf an teilsignalisierten Lösungen angestellt. Die Vermutung, dass sich dieser aus Elementen beider Grundverfahren zusammensetzt, die jedoch anderen Randbedingungen unterliegen, konnte verifiziert werden.
In einem ersten Schritt wurden teilsignalisierte Knotenpunkte hinsichtlich der Anzahl und Lage der Signalgeber bzw. der signaltechnisch gesicherten Verkehrsbeziehungen typisiert. Es konnten an Einmündungen und Kreuzungen drei empfehlenswerte Fälle der Teilsignalisierung identifiziert werden:
- Teilsignalisierung ohne Fußgängerfurten
- Teilsignalisierung mit Fußgängerfurt in der linken Zufahrt
- Teilsignalisierung mit Fußgängerfurt in der rechten Zufahrt
Diese bilden mit zuvor definierten Ausbaustandards, die Fahrstreifenaufteilungen – insbesondere das Vorhandensein von Linksabbiegestreifen in den Zufahrten – am Knotenpunkt berücksichtigen, die Grundlage für die Erstellung von Modellknoten, die in der weiteren Arbeit relevant sind.
Da keine empirischen Untersuchungen über den Verkehrsablauf derartiger Knoten vorlagen, wurden in zwei Feldversuchen hierzu wichtige Kenngrößen an Einmündungen ermittelt. Es zeigte sich dabei, dass lange Wartezeiten vor allem für Linkseinbieger reduziert werden konnten. In der Gesamtbilanz wiegen diese Zeit- und Sicherheitsgewinne die leicht gestiegenen Wartezeiten in der Hauptrichtung auf. Der Fahrzeugabfluss in der Nebenrichtung konnte signifikant gesteigert werden, auch wenn die Zeitbedarfswerte einer Vollsignalisierung nicht erreicht wurden. Dies lag an einem Zögern der Verkehrsteilnehmer an der Haltlinie. Die Zeitlückenverteilung im Hauptstrom entspricht nicht mehr der sonst angenommenen negativen Exponentialverteilung, da durch die Signalisierung eine starke Pulkbildung entsteht. Es kommt zu so genannten Überzufälligkeiten mit vermehrt kleineren Lücken.
Während der Mikrosimulation wurde nach dem „ceteris paribus“ Prinzip pro Ablauf immer nur eine Variable verändert. Somit konnten detailliert die Effekte der gewählten Einflussgrößen abgebildet werden. Es erfolgte eine Untersuchung der definierten Modellknotenpunkte mit der Software VISSIM bezüglich der Einflussfaktoren:
- Ausbaustandard (Linksabbiegestreifen)
- Fälle der Teilsignalisierung
- Signalprogramme
- Verkehrsstärken
Es wurden Diagramme zur Bestimmung der mittleren Verlustzeiten in Abhängigkeit der Verkehrsstärken in Haupt- und Nebenrichtung sowie Matrizen zur Bestimmung der Einsatzgrenzen entwickelt. Für Kreuzungen konnten im Gegensatz zu Einmündungen nur geringe positive Effekte ermittelt werden. Die Einsatzmöglichkeiten sind maßgeblich abhängig vom Ausbaustandard, Teilsignalisierungsfall und Signalprogramm. Die Teilsignalisierung deckt wie vermutet den Übergangsbereich zwischen konventioneller Vorfahrtregelung und Vollsignalisierung ab. Hierfür wurde der wissenschaftliche Beweis erbracht.
Ergänzt werden die Betrachtungen durch die Möglichkeiten zur Integration des Fußverkehrs. In der Hauptrichtung ist eine gesicherte Fußgängerführung in Abhängigkeit vom gewählten Teilsignalisierungsfall nur in jeweils einem Ast realisierbar. Die Nebenrichtung lässt allerdings keine gesicherte Querung zu. Diese Problematik verstärkt sich an Kreuzungen durch das Vorhandensein von zwei Nebenrichtungen, so dass in diesen Fällen eine Teilsignalisierung aus Sicherheitsüberlegungen ebenfalls nicht empfohlen werden kann. Es wurden prinzipielle Führungsmöglichkeiten aufgezeigt und mittels eines Entscheidungsbaumes visualisiert, der die Auswahl geeigneter Teilsignalisierungsformen am Knotenpunkt unterstützt.
An Kreisverkehren kann eine Teilsignalisierung unter bestimmten Konstellationen sinnvoll sein, um einerseits die Kapazität einzelner Zufahrten zu erhöhen oder andererseits eine gesicherte Fußgängerführung zu realisieren. Als problematisch haben sich nahezu ungehinderte Zuflüsse erwiesen. Diese treten auf, wenn der Zustrom nur selten durch andere Fahrzeuge auf der Kreisfahrbahn unterbrochen wird. Sie führen zu starker Kolonnenbildung. Die Installation einer LSA kann hier die mangelnden Unterbrechungen künstlich schaffen.
Abgerundet wird die Arbeit durch weitere Einsatzmöglichkeiten von Teilsignalisierungen zur Priorisierung von Einzelfahrzeugen oder bestimmter Fahrzeuggruppen im ÖV und Rettungswesen oder zur Räumung von Bahnübergängen.
The research problem is that the land-use (re-)planning process in the existing Egyptian cities
does not attain sustainability. This is because of the unfulfillment of essential principles within
their land-use structures, lack of harmony between the added and old parts in the cities, and
other reasons. This leads to the need for developing an assessment system, which is a
computational spatial planning support system-SPSS. This SPSS is used for identifying the
degree of sustainability attainment in land-uses plans, predicting probable problems, and
suggesting modifications in the evaluated plans.
The main goal is to design the SPSS for supporting sustainability in the Egyptian cities. The
secondary goals are: studying the Egyptian planning and administrative systems for designing
the technical and administrative frameworks for the SPSS, the development of an assessment
model from the SPSS for assessing sustainability in land-use structures of urban areas, as well
as the identification of the improvements required in the model and the recommendations for
developing the SPSS.
The theoretical part aims to design each of the administrative and technical frameworks of the
SPSS. This requires studying each of the main planning approaches, the sustainability in urban
land-use planning, and the significance of using efficient assessment tools for evaluating the
sustainability in this process. The added value of the planning support systems-PSSs for
planning and their role in supporting sustainability attainment in urban land-use planning are
discussed. Then, a group of previous examples in the sustainability assessment from various
countries (developed and developing countries) are selected, which have used various
assessment tools. This is to extract some learned lessons to be guides for the SPSS. And so,
the comprehensive technical framework for the SPSS is designed, which includes the suggested
methods and techniques that perform various stages of the assessment process.
The Egyptian context is studied regarding the planning and administration systems within the
Egyptian cities, as well as the spatial and administrative problems facing the sustainable
development. And so, the administrative framework for the SPSS is identified, which includes
the entities that should be involved in the assessment process.
The empirical part focuses on the design of a selected assessment model from the
comprehensive technical framework of the SPSS to be established as a minimized version from
it. This model is programmed in the form of a new toolbox within the ArcGIS™ software through
geoscripting using Python programming language to be applied for assessing the sustainability
attainment in the land-use structure of urban areas. The required assessing criteria for the model
specialized for the Egyptian and German cities are identified, for applying it on German and
Egyptian study areas.
The conclusions regarding each of PSSs, the Egyptian local administration and planning
systems, sustainability attainment in the land-use planning process in Egyptian Cities, as well as
the proposed SPSS and the developed toolbox are drawn. The recommendations are regarding
each of challenges facing the development and application of PSSs, the Egyptian local
administration and planning systems, the spatial problems in Egyptian cities, the establishment
of the SPSS, and the application of the toolbox. The future agenda is in the fields of sustainable urban land-use planning, planning support science, and the development process in the
Egyptian cities.
In Zeiten rasant ansteigender Energiepreise wird die Energieeinsparung durch Gewichtsreduzierung
bewegter Massen, z. B. im Automobilbau, zunehmend wichtiger. In immer mehr Bereichen des
Automobilbaues werden Faser-Kunststoff- Verbunde (FKV) aufgrund ihrer geringen Dichte eingesetzt.
Positive Aspekte einer Faserverstärkung von Kunststoffen sind Verbesserungen der Steifigkeit und
der Festigkeit. Negativ wirkt sich die Faserverstärkung hingegen auf die Bruchdehnung aus. Je nach
eingesetztem FKV kann durch die geringe Bruchdehnung bei einem Crash nur wenig Energie absorbiert
werden und es kommt zum strukturellen Versagen. Wegen der günstigen Material- und
Verarbeitungskosten werden im Auto- mobilbau häufig langglasfaserverstärkte Thermoplaste (LFT)
verwendet. Diese können allerdings aufgrund ihrer suboptimalen Crasheigenschaften in vielen
Bereichen des Fahrzeugbaues nicht eingesetzt werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit
der Verbesserung der Crasheigenschaften von LFT durch eine Verstärkung mit Metalltextilien. Ziel
ist es, den Anwendungsbereich von LFT im Auto- mobilbau zu erweitern. Aufgrund der Erfahrungen in
vorangegangenen Arbeiten liegt der Fokus der vorliegenden Arbeit auf den Eigenschaften eines mit
Edelstahl- schweißgitter (ESG) verstärkten LFT. Das Material wurde mit einer Vielzahl an Versuchen
einer eingehenden mechanischen Charakterisierung unterzogen. Vor der Probenentnahme wurde die
herstellungsbedingte Faserorientierung in Plattenebene untersucht. Dies geschah durch die
Auswertung von Röntgen- und Durchlicht- aufnahmen. Es wurde eine hochgradige Faserausrichtung in
Fließrichtung fest- gestellt. Mit Hilfe der Computertomographie war eine qualitative Untersuchung
der lokalen Faserorientierung möglich. Weiterhin konnte die Beeinflussung der Faser- orientierung
durch die Metalltextilverstärkung beobachtet werden. Aufgrund der Be- deutung der
Interfaceeigenschaften zwischen Stahl und LFT für den ESG-LFT- Verbund wurden die Scher- und
Normalfestigkeit mit Hilfe von Drahtauszug- und Stirnabzugversuchen bestimmt. Die
Interfaceeigenschaften wurden für verschiedene Vorbehandlungsmethoden der metallischen Oberfläche
untersucht. Eine Vorbehand- lung durch Druckluftstrahlen der Oberfläche führte zu den besten
Haftungs- eigenschaften. Als Strahlmittel wurden Korundpartikel eingesetzt. Neben metall-
textilverstärkten LFT-Proben wurden auch unverstärkte LFT-Proben als Referenzuntersucht. Es wurden quasistatische Versuche unter Zug- und Schubbelastung
durchgeführt. Wegen der Crashanwendung wurden die Zugversuche auch unter
kurzzeitdynamischer Belastung durchgeführt. Zusätzlich wurden Durchstoßversuche
durchgeführt, um den Einfluss auf die Energieabsorption beobachten zu können. Um
die Verbesserung der strukturellen Integrität zu demonstrieren, wurden einfache
Demonstratorbauteile unter Zugbelastung getestet. Dabei konnte neben einer
Bestimmung wichtiger Materialparameter eine erhöhte Energieaufnahme und eine
verbesserte strukturelle Integrität nachgewiesen werden. Zur Erweiterung der
experimentellen Erkenntnisse wurde ein parametrisiertes Simulationsmodell auf
Mikroebene entwickelt. Anhand des Mikromodells gelang es, einen detaillierten
Einblick in den Spannungszustand und das Versagensverhalten von ESG-LFT zu
erhalten. Des Weiteren war es damit möglich, den Einfluss verschiedener Geometrieund
Haftungsparameter auf die Verbundeigenschaften zu untersuchen. Die
vorliegenden Erkenntnisse wurden zur Programmierung eines makromechanischen
Simulationsmodells genutzt. Dieses zeigte, trotz der vorgenommenen
Vereinfachungen, bereits gute Übereinstimmungen von Simulation und Experiment
und konnte Hinweise für weiterführende Arbeiten liefern. Das entwickelte makromechanische
Modell kann damit als Basis für die Weiterentwicklung dieses Materialmodells genutzt werden.
Durch die Einarbeitung von Nanopartikeln in eine Polymermatrix lässt sich eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe erzielen. Dazu ist allerdings eine Separierung und homogene Verteilung der Verstärkungsstoffe in der Matrix notwendig, um die spezifische Oberfläche der Nanopartikel ausnutzen zu können, die dann als Grenzfläche mit der Matrix in Wechselwirkung treten kann.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Dispergierung von anorganischen Nanopartikeln am Beispiel von Titandioxid und Bariumsulfat in Epoxidharz mithilfe von Ultraschallwellen systematisch untersucht. Dazu wurden die Prozessparameter, wie z.B. die Amplitude und das beschallte Volumen, variiert, um die optimalen Dispergierparameter zu ermitteln, die zu einer guten Dispergierung der Nanopartikel führen, ohne dabei jedoch die Molekülstruktur des Epoxidharzes zu verändern. Eine Veränderung der Molekülstruktur der Matrix kann die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs negativ beeinflussen. Deshalb wurden für das unbehandelte und das beschallte Harz Morphologieuntersuchungen mittels FourierTransform-Infrarotspektroskopie und Gel-Permeations-Chromatographie durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass die Nanopartikel im Harz mit der maximalen Amplitude von 100% und einer Beschallungszeit von 15 Minuten optimal dispergiert werden können, ohne die Morphologie des Harzes merklich zu verändern.
Für den Ultraschalldispergierprozess wurde ein Dispergiermodell erarbeitet, das die Entwicklung der Partikelgröße in Abhängigkeit von den Prozessparametern beschreibt. Dieses Modell ist auf andere Partikelsysteme übertragbar und soll Vorhersagen für zukünftige Dispergierexperimente ermöglichen.
Das Ziel der Fertigung der Nanoverbundwerkstoffe ist die Steigerung der mechanischen Eigenschaften im Zug-, Bruchzähigkeits-, Kerbschlagzähigkeits- und Biegeversuch. Hierbei wurde sowohl die Wirkung der Dispergierung als auch der Einfluss des Verstärkungsstoffgehaltes auf das Eigenschaftsprofil untersucht. Des Weiteren wurde die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf ein weiteres Epoxidharz überprüft.
Um die Verstärkungsmechanismen der Nanopartikel in der Polymermatrix, die zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führen, zu verstehen, wurden Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen der Bruchflächen ausgeführt. Diese zeigten,dass Nanoverbundwerkstoffe eine rauere Bruchoberfläche als reines Epoxidharz besitzen, was auf eine Änderung der Bruchmechanismen hindeutet.
Insgesamt konnten mithilfe der Ultraschalldispergierung Nanoverbundwerkstoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden und ihre Dispergierung durch ein Modell beschrieben werden, das auch Vorhersagen für weitere Partikel-Harz-Systeme erlaubt.
A popular model for the locations of fibres or grains in composite materials
is the inhomogeneous Poisson process in dimension 3. Its local intensity function
may be estimated non-parametrically by local smoothing, e.g. by kernel
estimates. They crucially depend on the choice of bandwidths as tuning parameters
controlling the smoothness of the resulting function estimate. In this
thesis, we propose a fast algorithm for learning suitable global and local bandwidths
from the data. It is well-known, that intensity estimation is closely
related to probability density estimation. As a by-product of our study, we
show that the difference is asymptotically negligible regarding the choice of
good bandwidths, and, hence, we focus on density estimation.
There are quite a number of data-driven bandwidth selection methods for
kernel density estimates. cross-validation is a popular one and frequently proposed
to estimate the optimal bandwidth. However, if the sample size is very
large, it becomes computational expensive. In material science, in particular,
it is very common to have several thousand up to several million points.
Another type of bandwidth selection is a solve-the-equation plug-in approach
which involves replacing the unknown quantities in the asymptotically optimal
bandwidth formula by their estimates.
In this thesis, we develop such an iterative fast plug-in algorithm for estimating
the optimal global and local bandwidth for density and intensity estimation with a focus on 2- and 3-dimensional data. It is based on a detailed
asymptotics of the estimators of the intensity function and of its second
derivatives and integrals of second derivatives which appear in the formulae
for asymptotically optimal bandwidths. These asymptotics are utilised to determine
the exact number of iteration steps and some tuning parameters. For
both global and local case, fewer than 10 iterations suffice. Simulation studies
show that the estimated intensity by local bandwidth can better indicate
the variation of local intensity than that by global bandwidth. Finally, the
algorithm is applied to two real data sets from test bodies of fibre-reinforced
high-performance concrete, clearly showing some inhomogeneity of the fibre
intensity.
In der Bevölkerung steigt mit zunehmendem Alter die Inzidenz chronischer Erkrankungen. Eine häufig diskutierte Ursache chronischer Erkrankungen ist oxidativer Stress. Dieser entsteht im Körper, wenn es zu einem Ungleichgewicht zwischen der Bildung und Inaktivierung von sogenannten reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) kommt. Diesem Ungleichgewicht können endogene Faktoren (z.B. körpereigenes Glutathion (GSH)) und exogene Antioxidantien (z.B. Flavonoide) entgegenwirken. Epidemiologische Daten zeigen, dass eine Ernährung mit einem hohen Anteil an Flavonoiden präventive Eigenschaften zeigt und mit einem inversen Effekt bezüglich des Risikos chronischer Krankheiten korreliert. Beerenfrüchte (vor allem Wildheidelbeeren) stellen eine wichtige Quelle an diesen Flavonoiden dar. Für die Wildheidelbeere werden neben anderen Polyphenolen hauptsächlich die Anthocyane für deren Wirkung verantwortlich gemacht. Vor allem antioxidative und antiinflammatorische Eigenschaften von Anthocyanen werden derzeit diskutiert. Der Nachteil von Anthocyanen im Vergleich zu anderen Polyphenolen resultiert allerdings aus deren geringen Bioverfügbarkeit. In vielen Studien lag die Bioverfügbarkeit von verzehrten Anthocyanen im Urin meist unter 1%. Ein Grund für die geringe Aufnahme von Anthocyanen ist deren limitierende Stabilität. Im Darm, welcher als Hauptresorptionsort für Anthocyane gilt, liegt ein Milieu von pH 6-8 vor. Unter diesen pH-Bedingungen sind die Strukturen der Anthocyane nur begrenzt stabil. Daraus begründete sich in der Vergangenheit unter anderem das Forschungsziel, Anthocyane aus Heidelbeerextrakt (HBE) mit Hilfe verschiedener Verkapselungstechniken während der Darmpassage zu stabilisieren und gezielt am Wirkort freizusetzten (DFG/AiF-Cluster 1, 2008-2011). Die effektivsten Verkapselungstechniken basierten dabei auf Molkenprotein- und Pektinbasis. In vitro konnten durch die Verkapselung im Vergleich zum unverkapselten Extrakt höhere Anthocyankonzentrationen im (simulierten) Dünndarmmilieu erreicht werden. Außerdem zeigte sich in vitro keine Verringerung der biologischen Aktivität (ROS, DNA-Strangbrüche, GSH) durch die Verkapselung.
Ziel war es, die bisherigen in vitro Ergebnisse zur biologischen Aktivität des HBE (unverkapselt und verkapselt) und der Bioverfügbarkeit der Anthocyane aus dem HBE bzw. Kapselmaterial auf die in vivo Situation zu übertragen und zu verifizieren. Die zentralen Fragen waren, in welchem Ausmaß Anthocyane aus HBE, die Bioaktivität beeinflussen können, unverändert in den Dickdarm gelangen, welche Rolle Prozesse der Dickdarmmikrobiota spielen und inwieweit dies durch Stabilisierungs-(Verkapselungs-)Techniken moduliert werden kann. Der Lösungsweg für diese Fragestellungen wurde durch eine humane Pilotstudie an Probanden realisiert. Welchen Einfluss der Darm bezüglich der Bioaktivität und Bioverfügbarkeit von HBE besitzt, kann anhand von Probanden mit intaktem
Gastrointestinaltrakt (GIT) nur limitierend erfasst werden. Aus diesem Grund wurde die Studie zum einen mit Probanden, die ein Stoma am terminalen Ileum besitzen und zum anderen analog mit Kontrollprobanden mit intaktem Kolon durchgeführt. Die Pilotstudie wurde 2011 am Universitätsklinikum Würzburg durchgeführt und unterteilte sich in zwei Abschnitte. Dabei erfolgte während Teil I die Verabreichung von Heidelbeerextrakt (HBE) und während Teil II die Verabreichung von HBE-beladenen Molkeproteinkapseln (hergestellt durch U. Kulozik, TU München) und HBE-beladenen Citruspektinkapseln (hergestellt durch K. Schwarz, Univ. Kiel), jeweils mit äquimolaren Anthocyankonzentrationen. Durchgeführt wurde die Pilotstudie mit Probanden mit intaktem Gastrointestinaltrakt (mit Kolon) und Ileostomaprobanden (ohne Kolon). Während der Studie wurden von allen Probanden Blut- und Urinproben und von den Ileostomieprobanden zusätzlich Ileostomabeutel gesammelt. Durch den Vergleich der beiden Probandengruppen konnte somit erfasst werden, welchen Einfluss der Dickdarm auf die Bioverfügbarkeit und biologische Aktivität besitzt und inwieweit im Dickdarm gebildete Metabolite für biologische Wirkungen verantwortlich sind.
Nach Heidelbeerextraktverzehr ergaben sich bei Probanden mit intaktem GIT im Vergleich zu Ileostomaprobanden höhere Gehalte an Anthocyanen (Urin 44% und Plasma 79%) und Abbauprodukten (Urin 75% und Plasma 100%). Durch Molkeproteinverkapselung (MPK) und Citruspektinverkapselung (CPK) wurden im Vergleich zum HBE die Gehalte in Dünndarmflüssigkeiten, Urin und Plasma der Probanden moduliert. Die Ausscheidungsmengen über den Urin zeigen, dass die Molkeproteinverkapselung die systemische Konzentration und die Kurzzeitbioverfügbarkeit der Anthocyane erhöhen kann. Nach Citruspektinverkapselung erfolgte eine Modulation und Stabilisierung der intestinalen Anthocyankonzentrationen lokalisiert am Ende des Dünndarms. Die Erfassung der DNA-Schäden zeigte eine tendenzielle Abnahme der DNA-Strangbrüche in den Blutzellen beider Probandengruppen während der Studie nach unverkapseltem HBE-Verzehr. Die stärksten Effekte der Reduzierung oxidativer DNA-Schäden (mit FPG-Behandlung) wurden nach Verzehr des citruspektinverkapselten Extraktes (CPK) in beiden Probandengruppen detektiert. Nach MPK-Verzehr konnten hingegen nur geringe Effekte beobachtet werden. Der GSH-Status der Probanden wurde innerhalb der Studie nicht beeinflusst.
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Verkapselung von Anthocyanen deren Bioverfügbarkeit im Vergleich zu nichtverkapselten Anthocyanen modulieren kann, wobei die Bioverfügbarkeit der Anthocyane im Allgemeinen während dieser Studie sehr gering war. Weiterhin wurden Effekte zur antioxidativen Wirksamkeit der verwendeten Extraktsysteme beobachtet. Der Dünndarmmetabolit Phloroglucinolaldehyd wurde als potentielle Wirkkomponente identifiziert (Forschungsstelle II, Wien). Die vorliegenden Ergebnisse werden anhand der Betrachtung der DNA-Schädigung und der ermittelten Plasmakonzentrationen
aber nicht vollständig erklärt. Weitere Anthocyanmetabolite, die im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht wurden, können für die Wirkung des Extraktes verantwortlich sein.
In this thesis, we focus on the application of the Heath-Platen (HP) estimator in option
pricing. In particular, we extend the approach of the HP estimator for pricing path dependent
options under the Heston model. The theoretical background of the estimator
was first introduced by Heath and Platen [32]. The HP estimator was originally interpreted
as a control variate technique and an application for European vanilla options was
presented in [32]. For European vanilla options, the HP estimator provided a considerable
amount of variance reduction. Thus, applying the technique for path dependent options
under the Heston model is the main contribution of this thesis.
The first part of the thesis deals with the implementation of the HP estimator for pricing
one-sided knockout barrier options. The main difficulty for the implementation of the HP
estimator is located in the determination of the first hitting time of the barrier. To test the
efficiency of the HP estimator we conduct numerical tests with regard to various aspects.
We provide a comparison among the crude Monte Carlo estimation, the crude control
variate technique and the HP estimator for all types of barrier options. Furthermore, we
present the numerical results for at the money, in the money and out of the money barrier
options. As numerical results imply, the HP estimator performs superior among others
for pricing one-sided knockout barrier options under the Heston model.
Another contribution of this thesis is the application of the HP estimator in pricing bond
options under the Cox-Ingersoll-Ross (CIR) model and the Fong-Vasicek (FV) model. As
suggested in the original paper of Heath and Platen [32], the HP estimator has a wide
range of applicability for derivative pricing. Therefore, transferring the structure of the
HP estimator for pricing bond options is a promising contribution. As the approximating
Vasicek process does not seem to be as good as the deterministic volatility process in the
Heston setting, the performance of the HP estimator in the CIR model is only relatively
good. However, for the FV model the variance reduction provided by the HP estimator is
again considerable.
Finally, the numerical result concerning the weak convergence rate of the HP estimator
for pricing European vanilla options in the Heston model is presented. As supported by
numerical analysis, the HP estimator has weak convergence of order almost 1.
The screening of metagenomic datasets led to the identification of new phage-derived members of the heme oxygenase and the ferredoxin-dependent bilin reductase enzyme families.
The novel bilin biosynthesis genes were shown to form mini-cassettes on metagenomic scaffolds and further form distinct clusters in phylogenetic analyses (Ledermann et al., 2016). In this project, it was demonstrated that the discovered sequences actually encode for active enzymes. The biochemical characterization of a member of the heme oxygenases (ΦHemO) revealed that it possesses a regiospecificity for the α-methine bridge in the cleavage of the heme macrocycle. The reaction product biliverdin IXα was shown to function as the substrate for the novel ferredoxin-dependent bilin reductases (PcyX reductases), which catalyze its reduction to PEB via the intermediate 15,16-DHBV. While it was demonstrated that ΦPcyX, a phage-derived member of the PcyX reductases, is an active enzyme, it also became clear that the rate of the reaction is highly dependent on the employed redox partner. It turned out that the ferredoxin from the cyanophage P-SSM2 is to date the most suitable redox partner for the reductases of the PcyX group. Furthermore, the solution of the ΦPcyX crystal structure revealed that it adopts an α/β/α-sandwich fold, typical for the FDBR-family. Activity assays and subsequent HPLC analyses with different variants of the ΦPcyX protein demonstrated that, despite their similarity, PcyX and PcyA reductases must act via different reaction mechanisms.
Another part of this project focused on the biochemical characterization of the FDBR KflaHY2 from the streptophyte alga Klebsormidium flaccidum. Experiments with recombinant KflaHY2 showed that it is an active FDBR which produces 3(Z)-PCB as the main reaction product, like it can be found in reductases of the PcyA group. Moreover, it was shown that under the employed assay conditions the reaction of BV to PCB proceeds in two different ways: Both 3(Z)-PΦB and 18¹,18²-DHBV occur as intermediates. Activity assays with the purified intermediates yielded PCB. Hence, both compounds are suitable substrates for KflaHY2.
The results of this work highlight the importance of the biochemical experiments, as catalytic activity cannot solely be predicted by sequence analysis.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden neue katalytische Methoden zur Aktivierung von Kohlenstoffdioxid und dessen Derivate entwickelt, die eine abfallfreie Nutzung von CO2 als C1-Baustein in C-C-Bindungsknüpfungen erlauben.
Die Entwicklung einer abfallfreien Hydroxymethylierung terminaler Alkine demonstriert ein innovatives Konzept zur nachhaltigen Nutzung von CO2 als C1-Baustein, ohne die damit einhergehende Salzabfallbildung konventioneller Verfahren. Hierbei wurden terminale Alkine in einem ersten Schritt in Gegenwart der milden Aminbase 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin katalytisch C-H-carboxyliert. Durch eine anschließende katalytische Hydrierung der Ammoniumpropiolate zu den korrespondierenden Alkoholen unter Freisetzung der eingesetzten Aminbase stellt Wasser das einzige Abfallprodukt dieser Umsetzung dar. Die industrielle Anwendbarkeit dieses neuen Konzepts wurde in einem Kooperationsprojekt mit der BASF SE durch die Entwicklung eines neuen, nachhaltigen Verfahrens zur Darstellung von 1,4-Butandiol aus Acetylen und CO2 gezeigt. Essentieller Schritt bei diesem Verfahren ist die Veresterung des Dikaliumsuccinats unter CO2-Druck mit Methanol, wobei je zwei Äquivalente KHCO3 und HK2PO4 anfallen. Durch thermische Behandlung lässt sich aus diesem Gemisch die ursprüngliche Base K3PO4 regenerieren, sodass wiederum kein Salzabfall anfällt.
Darüber hinaus wurde durch die Entwicklung einer hocheffizienten Methode zur stereoselektiven Darstellung biologisch aktiver (E)-beta-Alkoxyacrylate ausgehend von terminalen Alkinen und Dialkylcarbonaten die nachhaltige Nutzung eines Kohlensäurederivats demonstriert. Diese Alkoxid-katalysierte Transformation zeichnet sich durch eine vollständige Atomeffizienz und einen hervorragenden E-Faktor von 5.2 aus.
Des Weiteren konnte ein Protokoll zur Darstellung langkettiger unsymmetrischer Alkylether mittels einer reduktiven Veretherung aus nachwachsenden Rohstoffen ausgearbeitet werden. Die entwickelte Methode erlaubt auch Umsetzungen von Fettsäure-/ester-Gemischen wie Rapsölmethylester (RME) oder Tallöl. Hierdurch lassen sich komplexe Stoffgemische aus nachwachsenden Rohstoffen in einheitliche Produkte überführen.
Im letzten Teilprojekt dieser Arbeit wurde eine effiziente und minutenschnelle Methode zur Spaltung von 8-Aminochinolinamiden (Daugulis-Amide) unter Mikrowellen-Bedingungen entwickelt. In Kombination mit der vorab von Herrn Katayev und Herrn Pfister entwickelten Methode zur ortho-C-H-Nitrierung aromatischer 8-Aminochinolinamide erlaubt diese den Einsatz von 8-Aminochinolin (Q-NH2) als temporäre dirigierende Schutzgruppe.
1,3-Diynes are frequently found as an important structural motif in natural products, pharmaceuticals and bioactive compounds, electronic and optical materials and supramolecular molecules. Copper and palladium complexes are widely used to prepare 1,3-diynes by homocoupling of terminal alkynes; albeit the potential of nickel complexes towards the same is essentially unexplored. Although a detailed study on the reported nickel-acetylene chemistry has not been carried out, a generalized mechanism featuring a nickel(II)/nickel(0) catalytic cycle has been proposed. In the present work, a detailed mechanistic aspect of the nickel-mediated homocoupling reaction of terminal alkynes is investigated through the isolation and/or characterization of key intermediates from both the stoichiometric and the catalytic reactions. A nickel(II) complex [Ni(L-N4Me2)(MeCN)2](ClO4)2 (1) containing a tetradentate N,N′-dimethyl-2,11-diaza[3.3](2,6)pyridinophane (L-N4Me2) as ligand was used as catalyst for homocoupling of terminal alkynes by employing oxygen as oxidant at room temperature. A series of dinuclear nickel(I) complexes bridged by a 1,3-diyne ligand have been isolated from stoichiometric reaction between [Ni(L-N4Me2)(MeCN)2](ClO4)2 (1) and lithium acetylides. The dinuclear nickel(I)-diyne complexes [{Ni(L-N4Me2)}2(RC4R)](ClO4)2 (2) were well characterized by X-ray crystal structures, various spectroscopic methods, SQUID and DFT calculation. The complexes not only represent as a key intermediate in aforesaid catalytic reaction, but also describe the first structurally characterized dinuclear nickel(I)-diyne complexes. In addition, radical trapping and low temperature UV-Vis-NIR experiments in the formation of the dinuclear nickel(I)-diyne confirm that the reactions occurring during the reduction of nickel(II) to nickel(I) and C-C bond formation of 1,3-diyne follow non-radical concerted mechanism. Furthermore, spectroscopic investigation on the reactivity of the dinuclear nickel(I)-diyne complex towards molecular oxygen confirmed the formation of a mononuclear nickel(I)-diyne species [Ni(L-N4Me2)(RC4R)]+ (4) and a mononuclear nickel(III)-peroxo species [Ni(L-N4Me2)(O2)]+ (5) which were converted to free 1,3-diyne and an unstable dinuclear nickel(II) species [{Ni(L-N4Me2)}2(O2)]2+ (6). A mononuclear nickel(I)-alkyne complex [Ni(L-N4Me2)(PhC2Ph)](ClO4).MeOH (3) and the mononuclear nickel(III)-peroxo species [Ni(L-N4Me2)(O2)]+ (5) were isolated/generated and characterized to confirm the formulation of aforementioned mononuclear nickel(I)-diyne and mononuclear nickel(III)-peroxo species. Spectroscopic experiments on the catalytic reaction mixture also confirm the presence of aforesaid intermediates. Results of both stoichiometric and catalytic reactions suggested an intriguing mechanism involving nickel(II)/nickel(I)/nickel(III) oxidation states in contrast to the reported nickel(II)/nickel(0) catalytic cycle. These findings are expected to open a new paradigm towards nickel-catalyzed organic transformations.
Ziel im ersten Teil dieser Arbeit ist die Untersuchung der offenen und geschlossenen
Konformation des Maltose bindende Proteins (MBP) im nativen und Molten-Globule-(MG)-Zustand mit Hilfe der ESR-Spektroskopie.
Die komplexen Mechanismen der Proteinfaltung und Proteindynamik bilden schon seit Langem ein wichtiges Forschungsziel in der Untersuchung biochemischer Prozesse und der Enzymkinetik.
MBP bietet sich in diesem Zusammenhang als geeignetes Forschungsobjekt an, da die Konformationsunterschiede
des MBP gut erkennbar sind und sich der MG-Zustand genügend
lang für Untersuchungen stabilisieren lässt. Die Fähigkeit zur reversiblen Faltung ist für ein Protein dieser Größe ebenso wie die Ausbildung eines hoch geordneten MG-Zustands
mit hoher Affinität zu seinem Zielsubstrat ungewöhnlich.
Der besondere Vorteil der ESR-Spektroskopie ist die geringe Störung der Messung durch
das Messsystem, was die Möglichkeit liefert, das Protein unter nativen Bedingungen, selbst innerhalb von Membranen oder biologischen Systemen, zu untersuchen.
Die in dieser Arbeit verwendete site-directed spin-labeling (SDSL)-Methode, bei der eine kovalente Bindung von Nitroxid-Spinlabel (NSL) an das Protein eingesetzt wird, löst kaum Störungen im System aus und schränkt die Flexibilität der Proteine kaum ein.
Als Grundlage der ESR-spektroskopischen Untersuchungen dienen im Haus durchgeführte cw-ESR-Messungen und DQC-Messungen, welche bei unserem Kooperationspartner Prof. J. Freed im ACERT Institut, Ithaca, New York, durchgeführt wurden.
Die double quantum coherence (DQC)-ESR beschreibt eine spezifische Messmethode zur
Analyse der dipolaren Elektron-Elektron-Wechselwirkungen durch Isolierung des Elektron-
Spin-Echos und somit der Abstandsbestimmung zweier NSL unter Verwendung einer
spezifischen Pulsabfolge. Der größte Vorteil dieser Methode ist die Minimierung störender
Hintergrundsignale, ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis und die mögliche Bestimmung von Abständen zwischen 10 und 80 °A.
Über Molekulare-Dynamik-(MD)-Simulation lässt sich ein guter Einblick in die Struktur
von Proteinen gewinnen und ein Model der gelabelten Proteine entwickeln.
Die These, dass MBP bereits ohne seinen Liganden beide Konformationen einnimmt, kann
durch die DQC-Messungen und die Korrelation mit der MD-Simulation bestätigt werden.
Weiterhin kann nachgewiesen werden dass eine Grundstruktur von MBP und ein funktionell
ausgebildetes aktives Zentrum bereits im MG-Zustand vorliegt.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Möglichkeit untersucht freie Radikale in verschiedenen Systemen, auch innerhalb von Zellen, mittels ESR-Spektroskopie zu detektieren und zu analysieren. Die Zielsetzung dabei ist es, die Radikalbildung bei verschiedenen medizinischen
Behandlungen zu untersuchen.
Die Lebensdauer einer Zelle wird durch das Zusammenspiel von freien Radikalen mit
Antioxidantien, Proteinen, Cofaktoren und sonstigen Zellbestandteilen bestimmt.
Durch bessere Kenntnis dieses Zusammenspiels können große Fortschritte in Medizin und
Gesundheitsvorsorge erreicht werden.
Sollte die Bildung der Sauerstoffradikale das natürliche antioxidative Potential der Zelle
überschreiten, spricht man von dem “oxidativem Stress” der Zelle.
Zu den möglichen Folgen des oxidativen Stresses gehört die Schädigung aller zellulären
und extrazellulären Makromoleküle bis hin zur Apoptose, also dem Absterben der Zelle.
Die primären Folgen sind vor allem die Lipidperoxidation, die Proteinoxidation und die
Schädigung der DNA.
Durch die Verwendung von ESR-spektroskopischen Methoden ist es möglich Untersuchungen
innerhalb lebender Zellen durchzuführen.
Zur Detektion der Radikale wird dabei ein Radikalfänger (Spin trap) eingesetzt, welcher a priori kein ESR-Signal liefert, sondern erst durch den Kontakt mit dem freien Radikal ein ungepaartes Elektron und somit ein ESR-Signal aufweist.
Die Verbindung 2-Ethoxycarbonyl-2-methyl-3,4-dihydro-2H-pyrrol-1-oxid (EMPO) ist ein
Derivat des DMPO, in welchem die Nitroxidgruppe zusätzlich stabilisiert wird.
Hierdurch kommt es zu einer deutlich längeren Lebensdauer der Spin-Addukte und einer
besseren Auflösung der ESR-Messung.
Die entstehenden Signale der einzelnen EMPO-Addukte lassen sich mit geeigneten Methoden
simulieren. Dies ermöglicht die Analyse der entstandenen Radikale.
Während unter der Strahlenbelastung von CT- und MRT-Untersuchungen keine Radikalbildung in den Proben festgestellt werden kann, liefert die Strahlentherapie mittels Linearbeschleuniger ein breites Spektrum gebildeter Radikale.
Die Ausbildung dieser Radikale zeigt sich dabei von verschiedenen Faktoren abhängig.
So zeigt sich die Ausbildung von H-, OH- und OOH-Addukten durch Luftsauerstoff
begünstigt, die Zugabe von NaCl fördert die Ausbildung von Wasserstoffradikalen und
organische Pufferbestandteile, wie z.B. Tris oder HEPES, führen zur erhöhten C-Addukt-
Bildung.
Crowd condition monitoring concerns the crowd safety and concerns business performance metrics. The research problem to be solved is a crowd condition estimation approach to enable and support the supervision of mass events by first-responders and marketing experts, but is also targeted towards supporting social scientists, journalists, historians, public relations experts, community leaders, and political researchers. Real-time insights of the crowd condition is desired for quick reactions and historic crowd conditions measurements are desired for profound post-event crowd condition analysis.
This thesis aims to provide a systematic understanding of different approaches for crowd condition estimation by relying on 2.4 GHz signals and its variation in crowds of people, proposes and categorizes possible sensing approaches, applies supervised machine learning algorithms, and demonstrates experimental evaluation results. I categorize four sensing approaches. Firstly, stationary sensors which are sensing crowd centric signals sources. Secondly, stationary sensors which are sensing other stationary signals sources (either opportunistic or special purpose signal sources). Thirdly, a few volunteers within the crowd equipped with sensors which are sensing other surrounding crowd centric device signals (either individually, in a single group or collaboratively) within a small region. Fourthly, a small subset of participants within the crowd equipped with sensors and roaming throughout a whole city to sense wireless crowd centric signals.
I present and evaluate an approach with meshed stationary sensors which were sensing crowd centric devices. This was demonstrated and empirically evaluated within an industrial project during three of the world-wide largest automotive exhibitions. With over 30 meshed stationary sensors in an optimized setup across 6400m2 I achieved a mean absolute error of the crowd density of just 0.0115
people per square meter which equals to an average of below 6% mean relative error from the ground truth. I validate the contextual crowd condition anomaly detection method during the visit of chancellor Mrs. Merkel and during a large press conference during the exhibition. I present the approach of opportunistically sensing stationary based wireless signal variations and validate this during the Hannover CeBIT exhibition with 80 opportunistic sources with a crowd condition estimation relative error of below 12% relying only on surrounding signals in influenced by humans. Pursuing this approach I present an approach with dedicated signal sources and sensors to estimate the condition of shared office environments. I demonstrate methods being viable to even detect low density static crowds, such as people sitting at their desks, and evaluate this on an eight person office scenario. I present the approach of mobile crowd density estimation by a group of sensors detecting other crowd centric devices in the proximity with a classification accuracy of the crowd density of 66 % (improvement of over 22% over a individual sensor) during the crowded Oktoberfest event. I propose a collaborative mobile sensing approach which makes the system more robust against variations that may result from the background of the people rather than the crowd condition with differential features taking information about the link structure between actively scanning devices, the ratio between values observed by different devices, ratio of discovered crowd devices over time, team-wise diversity of discovered devices, number of semi- continuous device visibility periods, and device visibility durations into account. I validate the approach on multiple experiments including the Kaiserslautern European soccer championship public viewing event and evaluated the collaborative mobile sensing approach with a crowd condition estimation accuracy of 77 % while outperforming previous methods by 21%. I present the feasibility of deploying the wireless crowd condition sensing approach to a citywide scale during an event in Zurich with 971 actively sensing participants and outperformed the reference method by 24% in average.
Following the ideas presented in Dahlhaus (2000) and Dahlhaus and Sahm (2000) for time series, we build a Whittle-type approximation of the Gaussian likelihood for locally stationary random fields. To achieve this goal, we extend a Szegö-type formula, for the multidimensional and local stationary case and secondly we derived a set of matrix approximations using elements of the spectral theory of stochastic processes. The minimization of the Whittle likelihood leads to the so-called Whittle estimator \(\widehat{\theta}_{T}\). For the sake of simplicity we assume known mean (without loss of generality zero mean), and hence \(\widehat{\theta}_{T}\) estimates the parameter vector of the covariance matrix \(\Sigma_{\theta}\).
We investigate the asymptotic properties of the Whittle estimate, in particular uniform convergence of the likelihoods, and consistency and Gaussianity of the estimator. A main point is a detailed analysis of the asymptotic bias which is considerably more difficult for random fields than for time series. Furthemore, we prove in case of model misspecification that the minimum of our Whittle likelihood still converges, where the limit is the minimum of the Kullback-Leibler information divergence.
Finally, we evaluate the performance of the Whittle estimator through computational simulations and estimation of conditional autoregressive models, and a real data application.
Botrytis cinerea, der Erreger der Graufäule, infiziert hunderte verschiedene Pflanzenspezies und verursacht weltweit enorme landwirtschaftliche Verluste. Dabei tötet er das Wirtsgewebe sehr schnell mithilfe lytischer Enzyme und Nekrose-induzierender Metaboliten und Proteine ab. Das Signal-Mucin Msb2 ist in B. cinerea, wie in anderen pathogenen Pilzen, wichtig für die Oberflächenerkennung, Differenzierung von Appressorien und die Penetration des Pflanzengewebes. Msb2 agiert oberhalb der BMP1 Pathogenitäts-MAPK-Kaskade. In dieser Studie konnte eine direkte Interaktion zwischen Msb2 und BMP1, sowie zwischen den beiden Sensorproteinen Msb2 und Sho1 nachgewiesen werden. Dennoch führte die Deletion von sho1 lediglich zu geringfügigen Defekten im Wachstum, der Hyphendifferenzierung und der Bildung von Infektionsstrukturen. Sho1 zeigte nur einen geringen Einfluss auf die Aktivierung von BMP1. Das Fehlen von Sho1 verursachte keine Virulenzdefekte, während der Doppel-KO von msb2 und sho1 zu einer stärkeren Reduzierung der Läsionsausbreitung im Vergleich zu msb2 Mutanten führte. Es wurden mehrere keimungsregulierte, BMP1 abhängige Gene deletiert und die Mutanten phänotypisch charakterisiert. Keines der Gene für lytische Enzyme oder putative Effektorproteine beeinflusste die Virulenz. Mutanten, denen das für ein Ankyrin-repeat Protein codierende arp1 Gen fehlt, zeigten eine gestörte Oberflächenerkennung, gravierende Wachstumsdefekte und reduzierte Virulenz.
B. cinerea VELVET-Mutanten sind in der lichtabhängigen Differenzierung und der Ausbreitung nekrotischer Läsionen beeinträchtigt. In dieser Arbeit ermöglichte die Charakterisierung mehrerer Mutanten ein besseres Verständnis der molekularen Vorgänge, aufgrund derer der VELVET-Komplex die Entwicklung und Pathogenese in B. cinerea reguliert. Quantitative Vergleiche der in planta Transkriptome und Sekretome führten zur Identifizierung eines für drei VELVET-Mutanten gemeinsamen Sets an herunterregulierten Genen, welche für CAZymes, Proteasen und Virulenz-assoziierte Proteine codieren. Die meisten dieser Gene wurden zusätzlich im Wildtyp während der Infektion verstärkt exprimiert, was zusätzliche Hinweise auf deren Relevanz im Infektionsprozess lieferte. Die drastisch verringerte Expression von Genen für Proteasen konnte mit niedrigerer Proteaseaktivität und der unvollständigen Mazeration des Gewebes an der Infektionsstelle in Verbindung gebracht werden. Der neu etablierte quantitative Sekretom-Vergleich des Wildtyps und der VELVET-Mutanten mithilfe 15N-markierter Proteine korrelierte eindeutig mit den Transkriptomdaten sekretierter Proteine. Damit wurde gezeigt, dass die Abundanz der Proteine maßgeblich von deren mRNA-Level abhängt. Die Unfähigkeit zur Ansäuerung des Wirtsgewebes ist einer der interessantesten phänotypischen Aspekte der VELVET-Mutanten. Während Citrat die dominierende von B. cinerea ausgeschiedene Säure ist, sekretierten VELVET-Mutanten deutlich weniger Citrat. Weder für Oxalat noch für Gluconat konnte eine wichtige Rolle während der Infektion bestätigt werden. Die Läsionsausbreitung der Mutanten wurde sowohl durch Zugabe von Vollmedium, als auch durch künstlich konstant niedrig eingestellte pH-Werte an den Infektionsstellen gefördert, während die Einstellung auf neutrale pH-Werte die Expansion beim B. cinerea Wildtyp stark beeinträchtigte. Damit ist die Ansäuerung in Tomatenblättern ein wichtiger Virulenzmechanismus, der möglicherweise essentiell für die Aktivität der sekretierten Proteine ist.
Überraschenderweise scheint eine Ansäuerung des Gewebes für die erfolgreiche Infektion der Ackerbohne Vicia faba nicht notwendig zu sein. Weder B. cinerea noch der am nächsten verwandte Botrytis fabae, welcher sich als Spezialist auf V. faba aggressiver verhält, zeigten während der erfolgreichen Infektion eine Ansäuerung des Ackerbohnenblattgewebes. B. fabae ist auf wenige Wirtspflanzen der Fabaceae begrenzt. Die Grundlagen der Wirtsspezifität sind bisher unklar. Vergleichende Transkriptom- und Sekretom-Analysen ergaben Hinweise für die molekularen Ursachen der unterschiedlichen Wirtsspektren von B. cinerea und B. fabae. In dieser Arbeit konnte die schlechte Infektion durch B. fabae auf Tomatenblättern mit einer deutlich niedrigeren Proteaseaktivität in Verbindung gebracht werden, während artifiziell konstant niedrige pH-Werte die Läsionsausbreitung kaum förderten. Im Gegensatz zur Infektion von Tomatenblättern wurden jedoch auf V. faba insgesamt deutlich niedrigere Proteaseaktivitäten in den Sekretomen beider Spezies gemessen. Diese Daten weisen darauf hin, dass die beiden Spezies nicht nur generell unterschiedliche Infektionsstrategien anwenden, sondern dass die Virulenzmechanismen zusätzlich vom infizierten Pflanzengewebe abhängig sind.
Embedded reactive systems underpin various safety-critical applications wherein they interact with other systems and the environment with limited or even no human supervision. Therefore, design errors that violate essential system specifications can lead to severe unacceptable damages. For this reason, formal verification of such systems in their physical environment is of high interest. Synchronous programs are typically used to represent embedded reactive systems while hybrid systems serve to model discrete reactive system in a continuous environment. As such, both synchronous programs and hybrid systems play important roles in the model-based design of embedded reactive systems. This thesis develops induction-based techniques for safety property verification of synchronous and hybrid programs. The imperative synchronous language Quartz and its hybrid systems’ extensions are used to sustain the findings.
Deductive techniques for software verification typically use Hoare calculus. In this context, Verification Condition Generation (VCG) is used to apply Hoare calculus rules to a program whose statements are annotated with pre- and postconditions so that the validity of an obtained Verification Condition (VC) implies correctness of a given proof goal. Due to the abstraction of macro steps, Hoare calculus cannot directly generate VCs of synchronous programs unless it handles additional label variables or goto statements. As a first contribution, Floyd’s induction-based approach is employed to generate VCs for synchronous and hybrid programs. Five VCG methods are introduced that use inductive assertions to decompose the overall proof goal. Given the right assertions, the procedure can automatically generate a set of VCs that can then be checked by SMT solvers or automated theorem provers. The methods are proved sound and relatively complete, provided that the underlying assertion language is expressive enough. They can be applied to any program with a state-based semantics.
Property Directed Reachability (PDR) is an efficient method for synchronous hardware circuit verification based on induction rather than fixpoint computation. Crucial steps of the PDR method consist of deciding about the reachability of Counterexamples to Induction (CTIs) and generalizing them to clauses that cover as many unreachable states as possible. The thesis demonstrates that PDR becomes more efficient for imperative synchronous programs when using the distinction between the control- and dataflow. Before calling the PDR method, it is possible to derive additional program control-flow information that can be added to the transition relation such that less CTIs will be generated. Two methods to compute additional control-flow information are presented that differ in how precisely they approximate the reachable control-flow states and, consequently, in their required runtime. After calling the PDR method, the CTI identification work is reduced to its control-flow part and to checking whether the obtained control-flow states are unreachable in the corresponding extended finite state machine of the program. If so, all states of the transition system that refer to the same program locations can be excluded, which significantly increases the performance of PDR.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst ein modulares, breit anwendbares Syntheseprotokoll zur Darstellung gemischter NHC-Phosphanliganden etabliert, das Zugang für zahlreiche PC- und PCP-Imidazoliumsalze gewährte. Modifikationen der Ligandstruktur, beispielsweise durch Salzmetathese oder Oxidation der Phosphanfunktion, konnten erfolgreich umgesetzt werden.
In der Folge wurde der Versuch unternommen, mehrere Metalle der Gruppen IX – XI an die entsprechenden PC- und PCP-Systeme unter Bildung multimetallischer Komplexe zu koordinieren. Dafür kamen verschiedene Methoden zur Generierung von NHC-Komplexen zum Einsatz: Neben der eingängig bekannten Reaktion von mit externer Base deprotonierten Carbenen mit den jeweiligen Metallvorstufen auch Umsetzungen von Ag(I)- und Cu(I)-NHC-Komplexen als Transmetallierungsagentien oder Nickelocen als Precursor mit Cp- als interner Base. Hierbei wurden zahlreiche monometallische Verbindungen erhalten, bei denen der NHC-Phosphanligand chelatisierend an das jeweilige Zentralmetall bindet.
Die Resultate dieser Experimente führten zu der Idee, neben der P,C-Bindungseinheit des Liganden eine weitere Donorstelle in die Struktur der Imidazoliumsalze zu integrieren. Diese sollte insbesondere härtere, polarisierte Übergangsmetallionen koordinieren können. Zur Umsetzung dieses Vorhabens wurden ausgehend von einem Pyridinyl-, Phenanthrolin- und Amino-N,N-diacetat-Substitutionsmuster drei neuartige gemischte NHC-Phosphanliganden entwickelt.
Abschließend wurde die Reaktion von alkyl- und arylfunktionalisierten PC-Imida-zoliumsalzen mit dem trimeren Metallcarbonylen der Elemente Eisen und Ruthenium untersucht. Während bei der Eisen(0)-Verbindung die Bildung eines Chelatkomplexes mit dem Eisenzentrum in der Oxidationsstufe 0 beobachtbar war, konnte bei dem korrespondierenden Ru(0)-Precursor ausschließlich oxidative Addition des Liganden an das Ruthenium festgestellt werden. In Gegenwart einer Base ist es möglich, auch im Fall von Ru3(CO)12 einen Ru(0)-Komplex darzustellen, der nachfolgend durch Umsetzung mit Methyliodid zu einer Ruthenium(II)-Verbindung oxidiert werden konnte.
Die Zusammenarbeit von Menschen in Projekten ist geprägt von ihren persönlichen Erfahrungen und
Interessen im jeweiligen Umfeld. Dieses Umfeld − nennen wir es hier „System“ − hat wiederum eigene
Interessen und befindet sich in einem erweiterten Umfeld. Dieses Systemumfeld kann bis zum Erreichen
des Universums ausgedehnt werden. Die Notwendigkeit in großen Bauvorhaben, mit der Komplexität
umgehen zu können, setzt die Kenntnisse der Zusammenhänge und den Willen zum systemorientierten
Handeln voraus.
In einem Bauprojekt ist eine endliche Menge von handelnden Personen mit ihren jeweiligen Rollen,
Aufgaben und Abhängigkeiten in den sie umgebenden Systemen (Organisationen) vorhanden. Im
Wesentlichen werden die Hauptfunktionen in Projekten durch Bauherr, Planer und der ausführenden
Firma dargestellt. Eine besondere Rolle kommt hier dem Bauherrn bzw. seinen Erfüllungsgehilfen im
Projektmanagement zu. Projektmanager haben als einzige die Chance, von Anfang bis Ende den gesamten
Projektlebenszyklus zu erleben. Als Teil ihrer Aufgaben kümmern sie sich um die Zieldefinitionen
für Organisation, Qualitäten und Quantitäten, Termine, Kosten und rechtliche Rahmenbedingungen
und steuern die durch die Bauherren beauftragten Planer und ausführenden Firmen.
Die heute bei großen Bauvorhaben vorkommenden „fungierenden Bauherren“ und die „öffentlichen
Bauherren“ bestehen aus Bauherrenorganisationen mit einer Vielzahl von Akteuren. Hieraus erwächst
die Notwendigkeit, die zahlreichen Beteiligten mit ihren verschiedenen Organisationen in Bezug auf die
verschieden gelagerte Interessenlage zu koordinieren und zielorientiert zu führen. Durch die notwendige
Integration der weiteren Systemkreise von Planern und ausführenden Firmen entstehen neue,
zusätzliche Steuerungsaufgaben, und die Komplexität des Projektes steigt in Dimensionen, die ohne
systemorientierten Ansatz nur schwer zu durchschauen und somit kaum noch zu bewältigen ist.
Zur Klärung der Fragen, welche Gestalt die Komplexität in großen Bauvorhaben annehmen und wie
ein Projektmanager mit diesen Herausforderungen umgehen kann, zielte die Arbeit auf die Erforschung
der Grundlagen von Komplexität und die Analyse ihrer Auswirkungen auf das Bauprojektmanagement.
Das entstandene Modell basiert auf zwölf charakterisierenden Eigenschaften komplexer adaptiver Systeme
und bildet hieraus fünf Merkmale für den systemischen Aufbau und Ablauf von Bauvorhaben.
Berücksichtigt wird, wie die Elemente und Teilsysteme zueinander stehen, und obwohl sie unterschiedliche
Charakteristika bzw. Zustände aufweisen können, dennoch ein gemeinsames Verhalten erzeugen
und eine Identität zum Umfeld herausbilden können. Hierzu sind neben Struktur und Veränderungen
in einem komplexen System auch die Wahrnehmungen und das Verhalten der Beteiligten sowie die
Umwelt eines Projektes maßgebend.
Im Rahmen einer Expertenbefragung mit vierzig standardisierten Interviews, die mit Vertretern der
drei Systemkreise Bauherr, Planer und ausführende Firma geführt wurden, konnte im ersten Schritt
das Wissen über Komplexität und die Zusammenhänge zum Baumanagement herausgearbeitet werden.
Diese Erkenntnisse wurden ergänzt um die Analyse verschiedener Bewertungsschemata und auf
dieser Basis zehn Indikatoren herausgebildet, die sich in fünf Subsystemen eines Bauvorhabens darstellen.
Jeder Indikator wurde in Bezug auf die fünf Merkmale der Komplexität in Bauvorhaben untersucht,
und Teilaspekte wurden zur Bewertung herangezogen. Es erfolgt eine relative Bewertung mit einer
Einstufung von 1 bis 5 (sehr geringe bis sehr hohe Komplexität). Das Modell liefert im Ergebnis Komplexitätsgrade
der einzelnen Indikatoren, der Merkmale und letztlich des gesamten Bauvorhabens.
Eine anwendungsorientierte Fallstudie mit anschließenden Optimierungsansätzen und darauf aufbauenden
Präventionsvorschlägen verifizieren den Modellansatz.
In der vorliegenden Arbeit konnte dargestellt werden, wie die unzureichende Wahrnehmung von Komplexität
im Bereich des Projektmanagements, gerade zu Beginn eines Projektes, die Steuerung eines
Projektes erschweren und Störungen im Projekt zur Folge haben. Das Ergebnis kann das Projektmanagement
bei der Erfüllung seiner komplexen Aufgaben unterstützen und Entscheidungshilfen zur
Prävention leisten. Die Modellierung erfolgt unter dem Bewusstsein, dass die getroffene Auswahl den
Stand der Forschung darstellt, ohne jedoch einen Anspruch auf Vollständigkeit oder Unveränderlichkeit
zu erheben.
Weiteren Forschungsvorhaben im Aufgabenfeld des Projektmanagements können die beschriebenen
Ansätze dienlich sein, um ergänzende Ansätze zu einem besseren Umgang mit Baumaßnahmen zu
finden.
Grape powdery mildew, Erysiphe necator, is one of the most significant plant pathogens, which affects grape growing regions world-wide. Because of its short generation time and the production of large amounts of conidia throughout the season, E. necator is classified as a moderate to high risk pathogen with respect to the development of fungicide resistance. The number of fungicidal mode of actions available to control powdery mildew is limited and for some of them resistances are already known. Aryl-phenyl-ketones (APKs), represented by metrafenone and pyriofenone, and succinate-dehydrogenase inhibitors (SDHIs), composed of numerous active ingredients, are two important fungicide classes used for the control of E. necator. Over the period 2014 to 2016, the emergence and development of metrafenone and SDHI resistant E. necator isolates in Europe was followed and evaluated. The distribution of resistant isolates was thereby strongly dependent on the European region. Whereas the north-western part is still predominantly sensitive, samples from east European countries showed higher resistance frequencies.
Classical sensitivity tests with obligate biotrophs can be challenging regarding sampling, transport and especially the maintenance of the living strains. Whenever possible, molecular genetic methods are preferred for a more efficient monitoring. Such methods require the knowledge of the resistance mechanisms. The exact molecular target and the resistance mechanism of metrafenone is still unknown. Whole genome sequencing of metrafenone sensitive and resistant wheat powdery mildew isolates, as well as adapted laboratory mutants of Aspergillus nidulans, where performed with the aim to identify proteins potentially linked to the mode of action or which contribute to metrafenone resistance. Based on comparative SNP analysis, four proteins potentially associated with metrafenone resistance were identified, but validation studies could not confirm their role in metrafenone resistance. In contrast to APKs, the mode of action of SDHIs is well understood. Sequencing of the sdh-genes of less sensitive E. necator isolates identified four different target-site mutations, the B-H242R, B-I244V, C-G169D and C-G169S, in sdhB and sdhC, respectively. Based on this information it was possible to develop molecular genetic monitoring methods for the mutations B-H242R and C-G169D. In 2016, the B-H242R was thereby identified as by far the most frequent mutation. Depending on the analysed SDH compound and the sdh-genotype, different sensitivities were observed and revealed a complex cross-resistance pattern.
Growth competition assays without selection pressure, with mixtures of sensitive and resistant E. necator isolates, were performed to determine potential fitness costs associated with fungicide resistance. With the experimental setups used, a clear fitness disadvantage associated with metrafenone resistance was not identified, although a strong variability of fitness was observed among the tested resistant E. necator isolates. For isolates with a reduced sensitivity towards SDHIs, associated fitness costs were dependent on the sdh-genotype analysed. Competition tests with the B-H242R genotypes gave evidence that there are no fitness costs associated with this mutation. In contrast, the C-G169D genotypes were less competitive, indicating a restricted fitness compared to the tested sensitive partners. Competition assays of field isolates, which exhibited several resistances towards different fungicide classes, indicated that there are no fitness costs associated with a multiple resistant phenotype in E. necator. Overall, these results clearly indicate the importance to analyse a representative number of isolates with sensitive and resistant phenotypes.
Epoxy belongs to a category of high-performance thermosetting polymers which have been used extensively in industrial and consumer applications. Highly cross-linked epoxy polymers offer excellent mechanical properties, adhesion, and chemical resistance. However, unmodified epoxies are prone to brittle fracture and crack propagation due to their highly crosslinked structure. As a result, epoxies are normally toughened to ensure the usability of these materials in practical applications.
This research work focuses on the development of novel modified epoxy matrices, with enhanced mechanical, fracture mechanical and thermal properties, suitable to be processed by filament winding technology, to manufacture composite based calender roller covers with improved performance in comparison to commercially available products.
In the first stage, a neat epoxy resin (EP) was modified using three different high functionality epoxy resins with two type of hardeners i.e. amine-based (H1) and anhydride-based (H2). Series of hybrid epoxy resins were obtained by systematic variation of high functionality epoxy resin contents with reference epoxy system. The resulting matrices were characterized by their tensile properties and the best system was chosen from each hardener system i.e. amine and anhydride. For tailored amine based system (MEP_H1) 14 % improvement was measured for bulk samples similarly, for tailored anhydride system (MEP_H2) 11 % improvement was measured when tested at 23 °C.
Further, tailored epoxy systems (MEP_H1 and MEP_H2) were modified using specially designed block copolymer (BCP), and core-shell rubber nanoparticles (CSR). Series of nanocomposites were obtained by systematic variation of filler contents. The resulting matrices were extensively characterized qualitatively and quantitatively to reveal the effect of each filler on the polymer properties. It was shown that the BCP confer better fracture properties to the epoxy resin at low filler loading without losing the other mechanical properties. These characteristics were accompanied by ductility and temperature stability. All composites were tested at 23 °C and at 80 °C to understand the effect of temperature on the mechanical and fracture properties.
Examinations on fractured specimen surfaces provided information about the mechanisms responsible for reinforcement. Nanoparticles generate several energy dissipating mechanisms in the epoxy, e.g. plastic deformation of the matrix, cavitation, void growth, debonding and crack pinning. These were closely related to the microstructure of the materials. The characteristic of the microstructure was verified by microscopy methods (SEM and AFM). The microstructure of neat epoxy hardener system was strongly influenced by the nanoparticles and the resulting interfacial interactions. The interaction of nanoparticles with a different hardener system will result in different morphology which will ultimately influence the mechanical and fracture mechanical properties of the nanocomposites. Hybrid toughening using a combination of the block-copolymer / core-shell rubber nanoparticles and block copolymer / TiO2 nanoparticles has been investigated in the epoxy systems. It was found out that addition of rigid phase with a soft phase recovers the loss of strength in the nanocomposites caused by a softer phase.
In order to clarify the relevant relationships, the microstructural and mechanical properties were correlated. The Counto’s, Halpin-Tsai, and Lewis-Nielsen equations were used to calculate the modulus of the composites and predicted modulus fit well with the measured values. Modeling was done to predict the toughening contribution from block copolymers and core-shell rubber nanoparticles. There was good agreement between the predicted values and the experimental values for the fracture energy.
Computational simulations run on large supercomputers balance their outputs with the need of the scientist and the capability of the machine. Persistent storage is typically expensive and slow, its peformance grows at a slower rate than the processing power of the machine. This forces scientists to be practical about the size and frequency of the simulation outputs that can be later analyzed to understand the simulation states. Flexibility in the trade-offs of flexibilty and accessibility of the outputs of the simulations are critical the success of scientists using the supercomputers to understand their science. In situ transformations of the simulation state to be persistently stored is the focus of this dissertation.
The extreme size and parallelism of simulations can cause challenges for visualization and data analysis. This is coupled with the need to accept pre partitioned data into the analysis algorithms, which is not always well oriented toward existing software infrastructures. The work in this dissertation is focused on improving current work flows and software to accept data as it is, and efficiently produce smaller, more information rich data, for persistent storage that is easily consumed by end-user scientists. I attack this problem from both a theoretical and practical basis, by managing completely raw data to quantities of information dense visualizations and study methods for managing both the creation and persistence of data products from large scale simulations.
In this thesis we address two instances of duality in commutative algebra.
In the first part, we consider value semigroups of non irreducible singular algebraic curves
and their fractional ideals. These are submonoids of Z^n closed under minima, with a conductor and which fulfill special compatibility properties on their elements. Subsets of Z^n
fulfilling these three conditions are known in the literature as good semigroups and their ideals, and their class strictly contains the class of value semigroup ideals. We examine
good semigroups both independently and in relation with their algebraic counterpart. In the combinatoric setting, we define the concept of good system of generators, and we
show that minimal good systems of generators are unique. In relation with the algebra side, we give an intrinsic definition of canonical semigroup ideals, which yields a duality
on good semigroup ideals. We prove that this semigroup duality is compatible with the Cohen-Macaulay duality under taking values. Finally, using the duality on good semigroup ideals, we show a symmetry of the Poincaré series of good semigroups with special properties.
In the second part, we treat Macaulay’s inverse system, a one-to-one correspondence
which is a particular case of Matlis duality and an effective method to construct Artinian k-algebras with chosen socle type. Recently, Elias and Rossi gave the structure of the inverse system of positive dimensional Gorenstein k-algebras. We extend their result by establishing a one-to-one correspondence between positive dimensional level k-algebras and certain submodules of the divided power ring. We give several examples to illustrate
our result.
The present situation of control engineering in the context of automated production can be described as a tension field between its desired outcome and its actual consideration. On the one hand, the share of control engineering compared to the other engineering domains has significantly increased within the last decades due to rising automation degrees of production processes and equipment. On the other hand, the control engineering domain is still underrepresented within the production engineering process. Another limiting factor constitutes a lack of methods and tools to decrease the amount of software engineering efforts and to permit the development of innovative automation applications that ideally support the business requirements.
This thesis addresses this challenging situation by means of the development of a new control engineering methodology. The foundation is built by concepts from computer science to promote structuring and abstraction mechanisms for the software development. In this context, the key sources for this thesis are the paradigm of Service-oriented Architecture and concepts from Model-driven Engineering. To mold these concepts into an integrated engineering procedure, ideas from Systems Engineering are applied. The overall objective is to develop an engineering methodology to improve the efficiency of control engineering by a higher adaptability of control software and decreased programming efforts by reuse.
Eine nachfrageorientierte und bedarfsgerechte Stadtplanung muss im Sinne
der Ordnung und Leitung der baulichen und sonstigen Nutzung des Bodens
unterschiedliche Flächenansprüche von Zielgruppen berücksichtigen, um
eine wechselseitige und verträgliche Zuordnung von Nutzungen zu erreichen.
Eine bedarfsgerechte Ausweisung von Wohnbauland erfordert es im
Sinne einer nachhaltigen Planung zu wissen, wo und wie die Menschen
wohnen wollen, wie ihre Präferenzen hinsichtlich Investitionsentscheidungen
(Miete oder Kauf) sowie deren quantitativen und qualitativen Anforderungen
an Wohnstandorte (Wohnung und Wohnumfeld) zu beurteilen sind.
Aus planungswissenschaftlicher Sicht sind im Rahmen der Wohnbaulandentwicklung
quantitative, qualitative und prozessuale Defizite von planungspraktischer
Relevanz identifizierbar, die sich – ausgehend von den Phasen
der Bedarfsermittlung über die Standortfindung und Bauleitplanung bis hin
zur baulichen Realisierung (Erschließung und Hochbau) – prozessübergreifend
erstrecken. So werden insbesondere qualitative Aspekte in diesen Prozessschritten
nicht gänzlich und zusammenhängend berücksichtigt, obwohl
qualitative Indikatoren bei der Wohnstandortentscheidung – im Sinne einer
sozialverträglichen, bestands- als auch nachfrageorientierten Stadtplanung
– eine immer stärkere Bedeutung erfahren.
Die Erkenntnisse aus der mikrogeographischen Milieu-Forschung – betrachtet
wird in der vorliegenden Arbeit primär das Sinus-Milieu-Modell® –
liefern Indizien für die zu erwartende quantitative und qualitative raumbezogene
Nachfrage einer heterogenen Stadtgesellschaft. Daher wird ein wissenschaftlicher
und planungspraktischer Mehrwert untersucht, der die Erkenntnisse
der Sinus-Milieu®-Forschung verwendet und im Sinne eines strategischen
Gesamtansatzes für Planungsprozesse nutzbar macht.
Anhand des Modellansatzes wird aufgezeigt, wie ganzheitlich
Planungs-, Realisierungs-, Vermarktungs- und Betriebsprozesse in Wohnquartieren
zielgruppenspezifisch und nachfrageorientiert gestaltet werden
können. Hierbei wird eine quantitative und qualitative Untersuchung durchgeführt,
die theoretische und anwendungsorientierte Erkenntnisse der Sinus-
Milieu®-Forschung im Kontext der Wohnbaulandentwicklung aus wissenschaftlichen
Erkenntnissen und Praxisprojekten adaptiert und in einem Optimierungsleitfaden
zur zielgruppenspezifischen Wohnbaulandausweisung
vereint. Darüber hinaus werden wohnstandort-, baugrundstücks-, wohngebäude-,
wohnungs- und planungsprozessual-bezogene Wohnqualitätskriterien
definiert, die als Orientierungsrahmen für zielgruppenspezifische
Wohnbaulandstrategien zu Grunde gelegt werden können.
Diese Erkenntnisse sind aus planungswissenschaftlicher Sicht mit einem planungspraktischen
Nutzen im Kontext der Wohnbaulandentwicklung anzusehen.
Das Vorgehen basiert auf der breiten Datenbasis der microm
GmbH, milieuspezifische und räumlicher Parameter werden für den Untersuchungsraum
in einem Sozialraumdiagramm eingeordnet. Das Instrument
der Sozialraumanalyse liegt dem Modellansatz zu Grunde und wird anhand
der Demonstrator-Kommune Stadt Kaiserslautern erforscht.
The proliferation of sensors in everyday devices – especially in smartphones – has led to crowd sensing becoming an important technique in many urban applications ranging from noise pollution mapping or road condition monitoring to tracking the spreading of diseases. However, in order to establish integrated crowd sensing environments on a large scale, some open issues need to be tackled first. On a high level, this thesis concentrates on dealing with two of those key issues: (1) efficiently collecting and processing large amounts of sensor data from smartphones in a scalable manner and (2) extracting abstract data models from those collected data sets thereby enabling the development of complex smart city services based on the extracted knowledge.
Going more into detail, the first main contribution of this thesis is the development of methods and architectures to facilitate simple and efficient deployments, scalability and adaptability of crowd sensing applications in a broad range of scenarios while at the same time enabling the integration of incentivation mechanisms for the participating general public. During an evaluation within a complex, large-scale environment it is shown that real-world deployments of the proposed data recording architecture are in fact feasible. The second major contribution of this thesis is the development of a novel methodology for using the recorded data to extract abstract data models which are representing the inherent core characteristics of the source data correctly. Finally – and in order to bring together the results of the thesis – it is demonstrated how the proposed architecture and the modeling method can be used to implement a complex smart city service by employing a data driven development approach.
The cytosolic Fe65 adaptor protein family, consisting of Fe65, Fe65L1 and Fe65L2 is involved in many intracellular signaling pathways linking via its three interaction domains a continuously growing list of proteins by facilitating functional interactions. One of the most important binding partners of Fe65 family proteins is the amyloid precursor protein (APP), which plays an important role in Alzheimer Disease.
To gain deeper insights in the function of the ubiquitously expressed Fe65 and the brain enriched Fe65L1, the goal of my study was I) to analyze their putative synaptic function in vivo, II) to examine structural analysis focusing on a putative dimeric complex of Fe65, III) to consider the involvement of Fe65 in mediating LRP1 and APP intracellular trafficking in murine hippocampal neurons. By utilizing several behavioral analyses of Fe65 KO, Fe65L1 KO and Fe65/Fe65L1 DKO mice I could demonstrate that the Fe65 protein family is essential for learning and memory as well as grip strength and locomotor activity. Furthermore, immunohistological as well as protein biochemical analysis revealed that the Fe65 protein family is important for neuromuscular junction formation in the peripheral nervous system, which involves binding of APP and acting downstream of the APP signaling pathway. Via Co-immunoprecipitation analysis I could verify that Fe65 is capable to form dimers ex vivo, which exclusively occur in the cytosol and upon APP expression are shifted to membrane compartments forming trimeric complexes. The influence of the loss of Fe65 and/or Fe65L1 on APP and/or LRP1 transport characteristics in axons could not be verified, possibly conditioned by the compensatory effect of Fe65L2. However, I could demonstrate that LRP1 affects the APP transport independently of Fe65 by shifting APP into slower types of vesicles leading to changed processing and endocytosis of APP.
The outcome of my thesis advanced our understanding of the Fe65 protein family, especially its interplay with APP physiological function in synapse formation and synaptic plasticity.
Die evangelischen Landeskirchen mit ihrem tradierten institutionellen Selbstverständnis verlieren im Zuge der Mitgliedschaftserosion immer mehr den Anschluss an eine sich rasant wandelnde Gesellschaft. Die fortschreitende Pluralisierung, Individualisierung und Mobilität der Gesellschaft sowie die Zunahme von sozialen Organisationsformen alternativ zur klassischen Kleinfamilie stellen die regional agierende und massenkommunizierende evangelische Volkskirche heute vor Herausforderungen, die sie mit ihren bisherigen institutionellen Strukturen offensichtlich nicht mehr in jeder Hinsicht bewältigen kann. Als Körperschaft des öffentlichen Rechts sieht sich die evangelische Kirche selbst auf Augenhöhe zu den staatlichen Gewalten. Auf diese Weise steht sie im Spannungsfeld zwischen dem selbst auferlegten öffentlichen, mitgliederdistanzierten Auftrag einerseits und der Erwartung zur religiösen Bedürfnisbefriedigung andererseits.
Ausgehend von dem letzten Reformimpuls, den die EKD unter dem Titel Kirche der Freiheit im Jahr 2006 an ihre Gliedkirchen aussandte, wird ein differenzierterer Ansatz vorgeschlagen, bei dem die evangelische Kirche eine ihrer wichtigsten Dimensionen, nämlich die der mitgliederbasierten Freiwilligkeitsorganisation in den Fokus rückt. Ein vornehmlich organisationales Selbstverständnis würde der evangelischen Kirche mit der Anwendung von Nonprofit-Governance-Methoden, beispielsweise mit der organisationsweiten Einführung effektiverer Leitungs- und Steuerungsmechanismen, neue und flexiblere Handlungsspielräume eröffnen. Zudem erlaubte ein auf das kirchliche Wesen zugeschnittenes Nonprofit-Marketing das Organisationsziel in Relation zum Marktgeschehen und damit zu den Bedürfnissen der Individuen zu formulieren und zu verfolgen.
In der konsequenten Weiterentwicklung der im Impulspapier der EKD genannten Funktionsgemeinden wird eine funktionale Organisationsmatrix vorgeschlagen, die sich an den vier christlichen Grundvollzügen Koinonia, Diakonia, Leiturgia und Martyria orientiert. Dies impliziert die Substitution des traditionellen Parochialsystems durch eine rein funktionale Organisationsstruktur in Form von strategischen Kerngeschäftsfeldern, unter denen die diversen kirchlichen Dienste programmatisch zusammengefasst werden.
Für die bessere Wiedererkennbarkeit im Außenverhältnis und notwendige Komplexitätsreduzierung im Binnenverhältnis wird die Konzeptionierung einer einheitlichen evangelischen Corporate Identity angeraten, die organisationsweite einheitliche Vorgaben für das Verhalten, die Außendarstellung und Kommunikation im Rahmen einer einheitlichen evangelischen Dachmarke vorsieht. Ziel ist es hier, mit einer stimmigen Corporate Identity eine kirchliche Persönlichkeit zu erschaffen, die ihre religiöse Identitätsbotschaft mit ihrer eigenen Wahrhaftigkeit vermittelt.
Das Methodenrepertoire der Stadt- und Umweltplanung befindet sich insbesondere durch den zunehmenden Einsatz von Geoweb-Methoden insgesamt in einem Umbruch hin zu einer „Smart urban Crowdsourcing“-Wissensgesellschaft [STREICH 2011: 236 F]. Kontinuierlich nimmt die An-zahl zur Verfügung stehenden Geoweb-Techniken zu, die auf ihren Einsatz in der Stadt- und Umweltplanung warten, sich in planerische Methoden integrieren oder zu solchen weiterentwickeln lassen. Am Beispiel des Verhältnisses von Planern gegenüber Bürgern werden die Veränderungen des planerischen Aufgabengebietes besonders dadurch deutlich, dass es sich hierbei nicht mehr um den reinen Transport von Informationen und gegebenenfalls eine Hilfestellung bei der Übersetzung dieser in einem klassischen Sender-Empfänger-Prinzip handelt. In einer, durch soziale Netzwerke und mobile Endgeräte, zunehmend digitalisierten Welt, ist es theoretisch möglich, dass jedem Bürger zu jeder Zeit an jedem Ort jede beliebige In-formation zum Abruf bereit steht. Auf diese Weise kann sich der Bürger informieren, seine eigene Meinung bilden und diese teilen. Da die ange-sprochenen mobilen Endgeräte zusätzlich mit Verortungstechnik ausgestat-tet sind und die geteilten Informationen um Angaben eines räumlichen Bezuges in Form von Geo-Koordinaten ergänzt werden können, bekommen die auf diesem Wege erstellten Datensätze auch zunehmend Aufmerksamkeit von Seiten der Raumplanung.
Durch die neu verfügbaren Techniken des Geowebs verändert sich auch das Aufgabengebiet von Stadt- und Umweltplanern: Um den jeweiligen „Stand der Technik“ hinsichtlich einer „smarten Planung“ [EXNER 2013] einsetzen zu können, werden sich Planer heute und auch zukünftig kontinuierlich über neue Techniken informieren müssen, diese auf ihre Einsatzpotentiale untersuchen, bestehende Planungsmethoden ergänzen und zum Einsatz bringen. Die Herausforderungen liegen dabei in der Prüfung der Geoweb-Techniken, deren Fortentwicklung sowie Integration in planerische Methoden. Beim Einsatz dieser neuen Methoden steht Generierung eines Mehrwertes für die von einer Planung betroffenen Menschen und die Planer selbst im Mittelpunkt. Mit dem Smartphone steht ein Werkzeug zur Verfügung, welches die Grundlage eines jeden, aktuell in Wissenschaft und Wirtschaft formulierten, „Smart-City“-Ansatzes bilden kann und zu dessen Umsetzung benötigt wird.
Nach einer theoretischen Behandlung des Aufgabengebietes der Stadt- und Umweltplanung und des Planungssystems in Deutschland, geht die vorliegende Arbeit zunächst auf die Genealogie des Internets und dessen Veränderungen der letzten Jahre ein. Neben der Entwicklung des Compu-tereinsatzes in der räumlichen Planung werden die neuen Möglichkeiten durch die Verbreitung von Smartphones behandelt. Außer den Potentialen wie der Erstellung raumbezogener Informationen durch den Einsatz der mobilen Endgeräte werden auch die dadurch verstärkt aufkommenden Themen des Datenschutzes und des Datenbewusstseins betrachtet.
Die Techniken und Methoden lassen sich den klassischen Aufgabenbereichen von Stadt- und Umweltplanern zuordnen. In der vorliegenden Arbeit erfolgt dieser Ansatz anhand der vier Bereiche der Strukturplanung, der Raumsensorik, der Gestaltungsplanung und den Kommunikationsplattformen entsprechend.
Das Kapitel zum Aufgabengebiet der Strukturplanung wird bei der zugehörigen Analyse nach den geometrischen Struktureinheiten punktueller, linien- und flächenhafter Informationen unterteilt. Der Bereich der Raumsensorik behandelt neben punktuell im Raum installierten Sensoren (wie z.B. Klimasensoren), die Ansätze der Humansensorik bzw. des „Menschen als Sensor im Raum“ [GOODCHILD 2007, RESCH ET AL. 2011, EXNER ET AL. 2012] und die Möglichkeiten optischer Sensortechniken, die mit unbemannten Luftfahrtgeräten nun auch als „fliegendes Auge“ zum Monitoring des Stadt- und Umweltraumes zum Einsatz gebracht werden können. Im klassischen Themengebiet der Gestaltungsplanung werden die Potentiale von virtuellen 3D-Welten in den Bereichen 3D-(Stadt-)Modelle, 360-Grad-Videos, Augmented Reality und Virtual Reality behandelt. Das den Hauptteil abschließende Kapitel rückt dagegen die Aspekte Information und Kommunikation noch einmal explizit in den Vordergrund. Hierbei wird unter anderem der Gedanke eines City-Dashboards hinsichtlich des damit zu erzielenden Mehrwertes fokussiert.
Neben der Erweiterungen hinsichtlich des Aufgabengebietes von Planern ändert sich auch dessen Rollenverständnis: In der Wissensgesellschaft befindet sich die Rolle des Planers zunehmend im Wandel und dieser nimmt eher die Rolle eines „Anwaltes in raumbezogenen Fragen“ der Bürger ein, berät diese, hilft bei der Formulierung deren Anliegen (beispielsweise auch durch die Zurverfügungstellung geeigneter Plattformen und Werkzeuge) und bringt deren Belange im Planungsprozess ein [STREICH 2014:167].
Die Auswirkungen auf das Selbstverständnis des Berufsbildes des Planers werden in einem abschließenden Fazit noch einmal aufgegriffen und zukünftige Themen im Ausblick und weiteren Forschungsbedarf thematisiert und skizziert.
Kurzusammenfassung
Molke gilt als Rohstoff, der ein in großen Mengen anfallendes Nebenprodukt der Käseindustrie ist. In den vergangenen Jahrzehnten wurde die wirtschaftliche Nutzung durch Wertschöpfung dieses kostengünstigen aber wertvollen Produktes intensiviert. Zu den drei wichtigsten Bestanteilen von Molke gehören Mineralien, Eiweiß und Lactose. Gerade der hohe physiologische Nährwert von Molke bei fast vollständiger Abwesenheit von Fett legt eine Anwendung in der Lebensmittelindustrie nahe. So werden inzwischen Bestandteile von Molke in Süßigkeiten, Diätetika, Tablettenfüll-stoffen, Verdickungsmitteln und Säuglingsernährung verwendet.
Vor der Verwendung von mikrobiellem Lab, welcher keine Spätblähung mehr verursacht, gab es ein Problem mit Nitratbelastung in der Molke durch Zugabe von Kalium- bzw. Natriumnitrat während der Käseherstellung zur Inhibition von Fehlgärungen. Bei Kleinkindern droht Lebensgefahr durch innere Erstickung, da das aus Nitrat gebildete Nitrit (durch Bakterien der Darmflora) Hämoglobin oxidiert. Daher wurden die Molkereien gezwungen sich mit dem Thema zu beschäftigen, um dieses Problem zu lösen. Für Erwachsene ist dies aber ungefährlich.
In dieser Arbeit wurde die Denitrifikation von Molkekonzentrat mit nativen Zellen und mit immobilisierten Zellen von Paracoccus denitrificans durchgeführt. Die indirekte Anwendung von dem Bakterium zur Nitratentfernung aus Molkekonzentrat befasst sich mit der Integration der Regeneration des Eluenten in den Prozess nach dem chromatographischen Verfahren. Das im Eluenten enthaltene Nitrat wird auch in Gegenwart von Natriumchlorid über mehrere Zwischenstufen zu elementarem Stickstoff reduziert. Somit wird der Eluent für eine weitere Regeneration wiederverwendbar und das Abwasseraufkommen des Gesamtprozesses stark reduziert. Eine kontinuierliche Denitrifikation des Eluenten mit einer Natriumchlorid-konzentration von 35 g/L wurde durch native Zellen realisiert. Als geeignete Denitrifikationsbedingungen wurden eine Temperatur von 37 °C, ein pH-Wert von 7,5 und die Zugabe von Acetat als Elektronendonor ermittelt.
Kontinuierliche Denitrifikationen mit nativen Zellen wurden in einer Laboratoriums- und Pilotanlage in Bioreaktoren mit einem Volumen von 5 L bzw. 25 L durchgeführt. Die Abtrennung der nativen Zellen zur Rückführung des Eluenten in die chroma-tographische Stufe erfolgte durch Cross-Flow-Filtration. Die vollständige Entfernung von Nitrat in Molkekonzentrat ist bis zu 450 Liter pro Tag im Pilotmaßstab möglich.
Im Falle immobilisierter Zellen wird die Zellabtrennung vereinfacht, da die Immobilisate 1,5-5 mm groß sind. Die Immobilisate konnten somit durch ein einfaches grobmaschiges Sieb zurückgehalten werden. Die Immobilisierung der Mikroorganis-men Paracoccus denitrificans wurde mit Hilfe des LentiKats® der Fa. genialLab GmbH hergestellt. Mit dem immobilisierten Verfahren wurde Nitrat im Eluent bzw. direkt in Molkekonzentrat denitrifiziert. Die Entfernung von Nitrat im Eluent ist bei gleichen Bedingungen wie mit nativen Zellen möglich. Allerdings zeichnen sich immobilisierte Mikroorganismen durch eine geringere Aktivität im Vergleich zu nativen Zellen aufgrund der Diffusionslimitierung, aus. So wurde durch immobilisierte Zellen eine Abbaugeschwindigkeit von v = 22,2 mgNitrat h-1∙g-1BTM im kontinuierlichen Betrieb erreicht, während durch Verwendung nativer Zellen Abbauraten von bis zu 32,4 mgNitrat h-1∙g-1BTM realisiert werden konnten. Der direkte Nitratabbau im Molkekonzentrat wurde bei Temperaturen von 10 °C bis zu 30 °C durchgeführt. Nach 1 h bei 30 °C konnte 90 mg/L Nitratkonzentrat vom Molkekonzentrat entfernt werden. Eine Akkumulierung von Nitrit ist nicht aufgetreten. Bei niedrigeren Temperaturen wurde der Nitratabbau geringer. Bei einer Temperatur von 10 °C ist es nicht mehr möglich Nitrat abzubauen. Die Untersuchung der wichtigen Inhaltstoffe, wie Protein, Mineralstoffe, Lactose, Glucose und Galactose im Molkekonzentrat wurde nach der Denitrifikation durchgeführt. Eine Änderung der Konzentration konnte nicht nachgewiesen werden.
Schlagworte: Molke, Molkeproteine, Denitrifikation, Nitrat, Immobilisierung, Paracoccus denitrificans
For many years, most distributed real-time systems employed data communication systems specially tailored to address the specific requirements of individual domains: for instance, Controlled Area Network (CAN) and Flexray in the automotive domain, ARINC 429 [FW10] and TTP [Kop95] in the aerospace domain. Some of these solutions were expensive, and eventually not well understood.
Mostly driven by the ever decreasing costs, the application of such distributed real-time system have drastically increased in the last years in different domains. Consequently, cross-domain communication systems are advantageous. Not only the number of distributed real-time systems have been increasing but also the number of nodes per system, have drastically increased, which in turn increases their network bandwidth requirements. Further, the system architectures have been changing, allowing for applications to spread computations among different computer nodes. For example, modern avionics systems moved from federated to integrated modular architecture, also increasing the network bandwidth requirements.
Ethernet (IEEE 802.3) [iee12] is a well established network standard. Further, it is fast, easy to install, and the interface ICs are cheap [Dec05]. However, Ethernet does not offer any temporal guarantee. Research groups from academia and industry have presented a number of protocols merging the benefits of Ethernet and the temporal guarantees required by distributed real-time systems. Two of these protocols are: Avionics Full-Duplex Switched Ethernet (AFDX) [AFD09] and Time-Triggered Ethernet (TTEthernet) [tim16]. In this dissertation, we propose solutions for two problems faced during the design of AFDX and TTEthernet networks: avoiding data loss due to buffer overflow in AFDX networks with multiple priority traffic, and scheduling of TTEthernet networks.
AFDX guarantees bandwidth separation and bounded transmission latency for each communication channel. Communication channels in AFDX networks are not synchronized, and therefore frames might compete for the same output port, requiring buffering to avoid data loss. To avoid buffer overflow and the resulting data loss, the network designer must reserve a safe, but not too pessimistic amount of memory of each buffer. The current AFDX standard allows for the classification of the network traffic with two priorities. Nevertheless, some commercial solutions provide multiple priorities, increasing the complexity of the buffer backlog analysis. The state-of-the-art AFDX buffer backlog analysis does not provide a method to compute deterministic upper bounds
iiifor buffer backlog of AFDX networks with multiple priority traffic. Therefore, in this dissertation we propose a method to address this open problem. Our method is based on the analysis of the largest busy period encountered by frames stored in a buffer. We identify the ingress (and respective egress) order of frames in the largest busy period that leads to the largest buffer backlog, and then compute the respective buffer backlog upper bound. We present experiments to measure the computational costs of our method.
In TTEthernet, nodes are synchronized, allowing for message transmission at well defined points in time, computed off-line and stored in a conflict-free scheduling table. The computation of such scheduling tables is a NP-complete problem [Kor92], which should be solved in reasonable time for industrial size networks. We propose an approach to efficiently compute a schedule for the TT communication channels in TTEthernet networks, in which we model the scheduling problem as a search tree. As the scheduler traverses the search tree, it schedules the communication channels on a physical link. We presented two approaches to traverse the search tree while progressively creating the vertices of the search tree. A valid schedule is found once the scheduler reaches a valid leaf. If on the contrary, it reaches an invalid leaf, the scheduler backtracks searching for a path to a valid leaf. We present a set of experiments to demonstrate the impact of the input parameters on the time taken to compute a feasible schedule or to deem the set of virtual links infeasible.
In den vergangenen Jahren hat sich der Bereich der Nanotechnologie zu einem fachübergreifenden Gebiet entwickelt. Nanopartikel besitzen aufgrund ihrer Größe und einem hohen Oberfläche zu Volumen Verhältnis besondere chemische und physikalische Eigenschaften, die sich von denen größerer Partikel unterscheiden. Das Forschungsinteresse der letzten Zeit liegt insbesondere auf deren magnetischem Charakter. Damit verbunden sind auch vielseitige industrielle Einsatzmöglichkeiten. Magnetische, nanostrukturierte Materialien werden in Bereichen wie der Chemie, der Physik sowie der Biomedizin untersucht und angewendet.
In der Chemie werden die Herstellung und die Untersuchung der katalytischen Eigenschaften von Nanopartikeln intensiv erforscht. Zu den zahlreichen Synthesemethoden von nanoskaligen Partikeln zählen zum Beispiel die thermische Zersetzung, die Mitfällung oder die Hydrothermalsynthese. Die katalytische Aktivität und die Selektivität dieser Materialien werden von der Partikelgröße, der Morphologie und der Anzahl an aktiven Oberflächenzentren beeinflusst. Die Entwicklung von stabilen Katalysatoren ist entscheidend für viele Anwendungen. Zur Stabilisierung und zum Schutz gegen Oxidation und Erosion werden oberflächenaktive Substanzen (z. B. Polymere, Tenside), anorganische oder poröse Trägermaterialien (Siliciumdioxid, Zeolithe) eingesetzt. Ein wichtiges Ziel für nachhaltige Prozesse sind leicht abtrennbare und wiederzuverwendende Nanopartikel. Dies ermöglichen zum Beispiel Kern-Schale-Katalysatoren, die eine katalytisch aktive Schale (Rh, Pt, Au) und einen magnetischen Kern aus Fe, Co, Ni besitzen. Verschiedene magnetische Nanopartikel wurden in zahlreichen Reaktionen (z. B. C-C-Kupplungen, Hydrierung von Olefinen, Hydroformylierung) getestet und zeichneten sich als katalytisch aktive und stabile Katalysatoren aus.
Im Bereich der Physik werden die magnetischen und die elektronischen Eigenschaften der Nanopartikel untersucht. Die magnetischen Einheiten werden im Forschungsgebiet der Informationstechnologie als Nanobauteile in Speichermedien eingesetzt. Die Verwendung basiert auf der Nutzung des ferromagnetischen Verhaltens einzelner Nanomaterialien in Speichereinheiten. Bei der Herstellung werden die elektrischen, optischen und magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel beeinflusst. So tritt mit abnehmender Partikelgröße ein Übergang vom Ferromagnetismus zum Paramagnetismus auf. Außerdem beginnt die Magnetisierungsrichtung zeitlich und räumlich zu fluktuieren und die magnetisch
gespeicherten Informationen gehen verloren. Die Miniaturisierung der Komponenten (z. B. Computerchips) bei gleichzeitiger Vergrößerung der Datenspeicherdichte ist sehr wichtig. Einer der vielversprechenden Zusammensetzungen dafür sind FePt-Partikel, die auch nach Entfernen des externen elektrischen Feldes ihre Magnetisierungsrichtung nicht sofort verlieren.
Im biomedizinischen Bereich eröffnen magnetische Nanopartikel ebenfalls neue Möglichkeiten. Sie werden als spezielle Kontrastmittel für die bildgebenden Verfahren der Magnetresonanztomografie genutzt. Außerdem können funktionalisierte Partikel als Transportmittel für Wirkstoffe bei einer Krebstherapie eingesetzt werden. Eine gezielte Positionierung des mit Wirkstoff modifizierten magnetischen Nanopartikels im Körper ist dabei möglich. Die Bioverträglichkeit der Materialien wird durch eine Verkapselung der Nanopartikel mit biologisch nicht belastenden, nicht toxischen Substanzen (z. B. Polyvinylalkohol, Polyethylenglykol, Stärke oder Dextran) erreicht.
Eine Materialklasse, die Wissenschaft und Technologie vereinigt und die in den letzten Jahren immer mehr an Interesse gewonnen hat, stellen die Heusler-Verbindungen dar. Dies sind ternäre intermetallische Zusammensetzungen der Form X2YZ, die im Jahr 1903 von Fritz Heusler entdeckt und beschrieben wurden. X und Y stehen meistens für Übergangmetalle, wohingegen Z häufig ein Element der III. – V. Hauptgruppe darstellt. Eine Kombination der unterschiedlichen charakteristischen Merkmale (halbmetallischer Charakter, hohes magnetisches Moment, hohe Curie-Temperatur) in einer Verbindung ermöglicht vielseitige Anwendungen dieser Materialien. Die Eigenschaften der Heusler-Verbindungen können durch die Veränderung der Zusammensetzung (Elementenaustausch) oder durch die Variation der Stöchiometrie der kombinierten Elemente beeinflusst werden. Unter den Heusler-Materialien sind halbmetallische Ferromagneten, ferrimagnetische Zusammensetzungen, Halbleiter und Supraleiter vertreten. Die X2YZ-Kompositionen werden industriell als magneto-optische Materialien, als Formgedächtnislegierungen, in thermoelektrischen Elementen oder als topologische Isolatoren verwendet. Das
Augenmerk der Spintronik liegt bei der hohen Spinpolarisation der Heusler-Verbindungen. Effiziente Bauelemente mit einem hohen Riesenmagnetwiderstand oder einem hohen Tunnelmagnetwiderstand werden in Festplattenleseköpfen von Computern und in magnetischen Sensoren eingebaut. Mit den ersten katalytischen Experimenten an ternären intermetallischen Materialien von Hedvall und Hedin im Jahr 1935 wurde auf ein weiteres Forschungs- und Einsatzbereich für Heusler-Verbindungen hingewiesen.
Prozeßanalyse und Modellbildung bei der Herstellung gewebeverstarkter, thermoplastischer Halbzeuge
(1999)
Werkstoff- und verarbeitungsspezifische Vorteile gewebeverstärkter, thermoplastischer Faser-Kunststoff-
Verbunde bieten ein erhebliches Potential für die Umsetzung konsequenter Leichtbauweisen in den verschiedenen Anwendungsbereichen der Industrie. In der Regel erfolgt die
Herstellung von Bauteilen in einer Prozeßkette, die sich aus den beiden Kernprozesse Verbundbildung (Imprägnierung und Konsolidierung) und Formgebung zusammensetzt. Die Verbundbildung erfolgt mit Hilfe diskontinuierlicher (Autoklav, Etagenpresse) oder kontinuierliche (Kalander, Doppelbandpresse) Verfahren, die z.B. umformbare Halbzeuge wie ORGANOBLECHEN, zur weiteren Verarbeitung bereitstellen. Diese Entkopplung des Imprägnierungsprozesses der Verstärkungstextilien mit thermoplastischer Matrix von der Bauteilherstellung ermöglicht - analog der Blechumformung - eine großserientaugliche Prozeßtechnik mit kurzen Taktzeiten. Alle wesentlichen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes werden so während der Halbzeugherstellung determiniert, während die Bauteilherstellung dann nur der Umformung dient. Auf dem Verbundwerkstoffmarkt ist ein Reihe von Halbzeugen mit verschiedenen Eigenschaftsprofilen verfügbar. Infolge des ständigen Wandels der werkstofflichen Anforderungsprofile
ist jedoch eine permanente Weiterentwicklung der Halbzeuge notwendig. Hieraus resultiert für die Werkstoffhersteller ein großes technisches und wirtschaftliches Risiko, da die
aufwendige Werkstoffentwicklung - aufgrund mangelnder wissenschaftlicher Grundlagen - mit erheblichen Unsicherheiten behaftet ist. Derzeit wird die Neuentwicklung von anforderungsspezifischen Halbzeugen mit Hilfe von Trial- and-Error Versuchen hinsichtlich der universellen Prozeßparameter (Temperatur, Zeit und Druck) betrieben. Derartige Versuchsreihen bedingen einen beträchtlichen finanziellen und zeitlichen Umfang und stellen somit ein wesentliches Entwicklungsrisiko dar. Darüber hinaus sind die Ergebnisse nur für Anlagen gleichen Typs und Bauart uneingeschränkt anwendbar. Eine Übertragbarkeit der Prozeßparameter auf andere Anlagenkonzepte ist nicht gegeben, so daß die Prozeßfenster jeweils immer individuell ermittelt werden müssen. Aufgrund
dieser aufwendigen Vorgehensweise werden deshalb intensive Anstrengungen unternommen, die während der Materialherstellung auftretenden Vorgänge mathematisch zu
modellieren, um dann durch rechnerische Simulation der Verarbeitungsprozesse eine Abschätzung des energetischen und zeitlichen Aufwandes zu ermöglichen. Daraus ergab sich die Aufgabe, das Imprägnierungs- und Konsolidierungsverhalten gewebeverstärkter, flächiger thermoplastischer Halbzeuge durch umfangreiche Untersuchungen an verschiedensten Materialkombinationen zu analysieren. Ziel war es, die bei der Halbzeugherstellung
auftretenden Effekte zu charakterisieren, Ansätze zu deren Modellierung zu entwickeln und Erkenntnisse zur Optimierung der Prozeß- und Materialparameter zu gewinnen. Wesentliche Ergebnisse der Prozeßanalyse sind das Auftreten von transversalen Makro- und Mikroströmen sowie das Entstehen von festigkeits- und steifigkeitsreduzierenden Bindenähten
und Lufteinschlüssen. Ferner laufen innerhalb der Faserbündel, temperatur- und druckabhängige Lösungs- und Diffusionsvorgänge bei der Eliminierung der Lufteinschlüsse sowie Wechselwirkungen zwischen elastischen Geweben und strömender Matrix ab. Zentrales Ergebnis der Untersuchung stellt ein abgeleitetes System von funktionalen Abhängigkeiten dar, welches einen ersten, grundlegenden Schritt zur Erstellung eines umfassenden Simulationsmodells des komplexen Prozesses bildet. Hiermit schließt die vorliegende Arbeit erstmals eine Lücke zwischen anlagenspezifischen Versuchsreihen und der allgemeinen numerischen Prozeßsimulation, die es ermöglicht, das
Imprägnierungs- und Konsolidierungsverhalten gewebeverstärkter thermoplastischer Halbzeuge auf experimenteller Basis anlagenunabhängig zu beschreiben. Dazu wurden die regelbaren Prozeßgrößen Verarbeitungstemperatur T (°K), Verarbeitungszeit t (s) und
Konsolidierungsdruck P (Pa) zu einer dimensionslosen, matrixspezifischen Prozeßkonstanten - B-Faktor (tP/n(T))- zusammengefaßt, die den Verarbeitungszyklus energetisch und zeitlich bilanziert. Diese Vorgehensweise erlaubt die Untersuchung des funktionalen Zusammenhangs zwischen Prozeßregelgrößen und Imprägnierungsqualität innerhalb bestimmter Grenzen sowie den Vergleich verschiedenartiger diskontinuierlicher und kontinuierlicher Anlagentypen und
die Ableitung von Substitutionsbeziehungen zwischen den Regelgrößen. Dabei konnte gezeigt werden, daß die imprägnierungsbedingte Abnahme der Halbzeugdicke in Abhängigkeit des B-Faktors unabhängig von der verwendeten Anlagentechnik einem exponentiellen Gesetz folgt, dessen halbzeugspezifische Regressionskoeflizienten die während der Imprägnierung und Konsolidierung auftretenden Effekte zusammenfassen und die Ableitung optimaler Prozeßeinstellungen erlauben. Damit ist es möglich, für bestimmte Materialpaarungen mit Hilfe des B-Faktors einen Verarbeitungsbereich zu identifizieren, der aufgrund der
anlagenunabhängigen Betrachtungsweise der Parameter Temperatur, Imprägnierzeit und Konsolidierungsdruck
unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen prinzipiell auf jede beliebige Anlagenkonfiguration zur Imprägnierung und Konsolidierung übertragen werden kann. Dies schließt deshalb nicht nur diskontinuierliche und kontinuierliche Prozesse zur Herstellung flächiger Halbzeuge, sondern darüber hinaus auch Verfahren zur Weiterverarbeitung dieser Materialien ein. Für jede potentielle Materialpaarung kann, ähnlich wie bei rheologischen Kennwerten für Kunststoffe, mit standardisierten Methoden eine Datenbasis geschaffen werden, die die Abhängigkeit des Imprägnierungsgrades von den Verarbeitungsbedingungen beschreibt. Damit kann der Versuchsaufwand bei der Einführung eines neuen Werkstoffsystems auf einer Anlage reduziert, die Verarbeitung wirtschaftlich optimiert, die Beanspruchung der Werkstoffkomponenten bei der Verarbeitung minimiert und die Einsatzstoffe verarbeitungsgerecht modifiziert werden.
Um eine weitere Zunahme der Umweltbelastung infolge des stetig anwachsenden Leergewichtes heutiger Kraftfahrzeuge zu vermeiden, wird dem vermehrten Einsatz von Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (FKV) auch für hochbelastete Sekundärstrukturen zukünftig eine zentrale Rolle beim intelligenten Fahrzeug-Leichtbau zukommen. Die hierzu erforderliche Substitution metallischer Bauweisen durch FKV-Lösungen bietet das Potential, aufgrund des herausragenden gewichtsspezifischen Eigenschaftsprofils der Werkstoffgruppe und der Möglichkeit einer weitreichenden Teile- und Funktionsintegration eine deutliche Gebrauchswerterhöhung und auch Kostenreduktion zu erzielen.
Die im Rahmen dieser Arbeit durchgefüh1ie Analyse des heutigen Entwicklungsstandes von
Fahrzeug-Sitzstrukturen und Fahrwerkselc1nenten in FKV-Bauweise zeigte, daß bei vorderen
Pkw-Sitzen die Grenzen des mit FKV derzeit Umsetzbaren erreicht sind. Bei Pkw-Fahrwerken konnte festgehalten werden, daß bislang keine längsorientierte, nicht angetriebene Hinterachse in FKV-Bauweise ohne zusätzliches Querelement bekannt ist, obwohl diese Achsbauart zunehmend eingesetzt wird. Zielsetzung der Arbeit war es daher, innovative Ansätze für die integrierte Gestaltung vorderer Sitzstruktur-Komponenten zu entwickeln, die Leichtbau und hohe Funktionalität mit Großserienfertigung verbinden und weiter Vorschläge zur Gestaltung längsorientierter, nicht angetriebener Pkw-Hinterachsen in FKV-Bauweise zu erarbeiten. Die Arbeit geht zunächst detailliert auf die Besonderheiten der FKV-Bauweisenentwicklung im Vergleich zum klassischen Konstruktionsablauf bei metallischen Strukturen ein. Darauf aufbauend wird die werkstoff- und fertigungsgerechte Spritzgieß-Konstruktion einer oberen Lehnen-Quertraverse aus diskontinuierlich langglasfaserverstärktem Thermoplasten (DLFRP oder LFT) vorgestellt, die zwei Kopfstützen-Führungselemente und die eigentliche metallische Quertraverse integriert. Zudem ermöglicht die Funktionserweiterung der axialen Drehbarkeit des gesamten Bauteils ein verbessertes Anstellen der Kopfstütze an den Insassen-Hinterkopf. Quasi-statische und auch dynamische Kopfaufprall-Prüfungen an Prototypen zeigten eine gute
Übereinstimmung mit den numerischen Simulationsergebnissen und bestätigten das geforderte „gutmütige" Versagensverhalten des Bauteils durch den Einsatz von Langfasern.
Im weiteren stellt die Arbeit erstmals ein schlüssiges werkstoff- und fertigungsgerechtes Konzept für eine längsorientierte, nicht angetriebene Hinterachse in FKV-Bauweise auf der Basis eines funktionsintegrierten CFK-Doppel-Blattfeder-Elementes mit in Reihe geschalteter FKV-Drehrohrfeder-Anordnung vor. Die im Vergleich zu herkömmlichen Metallbauweisen um etwa 40 % leichtere Konstruktion verzichtet auf ein mitfederndes Querelement zur Aufnahme der Seitenkräfte und ermöglicht ein elastokinematisch basiertes In-Vorspur-Gehen des kurvenäußeren Hinterrades. Die grundsätzliche Funktionstüchtigkeit der Konstruktion konnte in ausführlichen strukturmechanischen Simulationsrechnungen nachgewiesen werden.
Das Feld der Anionenerkennung ist ein stets wachsendes Forschungsgebiet, auch weil eine Vielzahl biochemischer Prozesse mit negativ geladenen Substraten und Co-Faktoren verbunden sind. Da solche Prozesse in wässrigem Milieu stattfinden, sind Verbindungen von besonderem Interesse, die Anionen in Wasser zu binden vermögen. Geeignete Rezeptoren zur Erkennung von Anionen sind die im Arbeitskreis Kubik entwickelten Cyclopeptide (CPs) und Bis(cyclopeptide) (BCPs).
Da die Anionenaffinität der in der Vergangenheit untersuchten BCPs nur in wenigen ausgesuchten Lösungsmittelgemischen und nie in reinem Wasser charakterisiert wurde, wurde im ersten Teil meiner Promotion ein BCP-Derivat entwickelt, mit dem kalorimetrische Bindungsstudien in einem breiten Spektrum von Lösungsmittelgemischen möglich waren. Die hierbei erhaltenen thermodynamischen Daten sollten Informationen über die Prinzipien geben, die der Anionenaffinität dieser Verbindungen zugrunde liegen. Es wurde zunächst die Synthese des bereits in meiner Diplomarbeit untersuchten BCP1 optimiert, dessen Wasserlöslichkeit durch insgesamt sechs Triethylenglycolreste vermittelt wird. Dieser Rezeptor erwies sich nach geeigneter Isolation ausreichend löslich, um Lösungen in Wasser mit einer Konzentration von bis zu 0.25 mM herzustellen. Es wurde ebenfalls das BCP2 mit einer zusätzlichen solubilisierenden Gruppe im Vergleich zu BCP1 synthetisiert, welches in bis zu 10 mM Konzentrationen in Wasser löslich ist. Mit beiden Rezeptoren wurden in Wasser, verschiedenen wässrigen Lösungsmittelgemischen und reinen organischen Lösungsmitteln Bindungsstudien durchgeführt, wodurch quantitative und qualitative Einblicke erhalten wurden, wie die Solvatisierung des Anions und des Rezeptors in den verschiedenen Lösungsmitteln die Anionenkomplexierung beeinflussen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde an der Entwicklung von CP-basierten chemischen Sensoren und Sonden gearbeitet, mit denen Anionen in Lösung detektiert werden können. In diesem Zusammenhang wurden Synthesen für zwei CPs entwickelt, die auf unterschiedliche Art auf Goldelektroden immobilisiert werden können. Diese Elektroden sollen für die elektrochemische Anionendetektion dienen. Im Bereich chemischer Sonden sollten mit CPs dekorierte Goldnanopartikel (Au-NPs) dargestellt werden, die nach Anionenzugabe agglomerieren. Die damit verbundene Farbveränderung der Lösung soll einen Anionennachweis mit bloßem Auge gestatten. Es wurden zwei CP-Grundstrukturen dargestellt, welche als anionenerkennende Liganden auf Au-NPs dienen können. Ebenfalls wurden erste Au-NPs synthetisiert, die eine Mischung oberflächengebundener inerter und CP-funktionalisierter Liganden enthielten.
This thesis presents research studies on the fundamental interplay of diatomic molecules with transition metal compounds under cryogenic conditions. The utilized setup offers a multitude of opportunities to study isolated ions: The ions can either be generated by an ElectroSpray Ionization (ESI) source or a Laser VAPorization (LVAP) cluster ion source. The setup facilitates kinetic investigations of the ions with different reaction gases under well-defined isothermal conditions. Moreover it enables cryo InfraRed (Multiple) Photon Dissociation (IR-(M)PD) spectroscopy in combination with tunable OPO/OPA laser systems. In conjunction with density functional theory (DFT) modelling, the IR(M)-PD spectra allow for an assignment of geometric minimum structures. Furthermore DFT modelling helps to identify possible reaction pathways. Altogether the presented methods allow to gain fundamental insights into molecular structures and reactivity of the investigated systems.
The first part of this thesis focuses on the interplay of N2 with different transition metal clusters (Con+, Nin+, and Fen+) by cryo IR spectroscopy and cryo kinetics. In conjunction with DFT modelling the N2 coordination was elucidated (Con+), structures were assigned (Nin+), the concept of structure related surface adsorption behavior was introduced (Nin+), and the a first explanation for the inertness if Fe17+ was given (Fen+). Furthermore this thesis provides for a case study on the coadsorption of H2 and N2 on Ru8+ that elucidates the H migration on the Ru cluster. The last part of the thesis addresses the IR spectra of in vacuo generated [Hemin]+ complexes with N2, O2, and CO. Structures and spin states were assigned with the help of DFT modelling.
Chlorogenic acids (CGA) are phenolic compounds that form during the esterification of certain trans-cinnamic acids with (-)-quinic acid. According to several human intervention studies, they may have potential health benefits. Coffee is the main source of CGA in human nutrition, and is consumed either alone or in combination with a variety of foods. For this reason, the presented study aimed to clarify whether the simultaneous consumption of food, for example, a breakfast rich in carbohydrates, with instant coffee affects the absorption and bioavailability of CGA. The research specifically focused on how various food matrices, which are consumed at the same time as a coffee beverage, will influence kinetic parameters such as area under the curve (AUC), maximum plasma concentration (cmax), and time needed to reach maximum plasma concentration (tmax).
In a randomized crossover study, fourteen healthy participants consumed either pure instant coffee or coffee with a carbohydrate- or fat-rich meal. All of the subjects consumed the same quantity of CGA (3.1 mg CGA/kg body weight). Blood samples, collected at various time points up to 15 h after instant coffee consumption, were quantitatively analysed. Additionally, three urine collection intervals were chosen over a time period of 24h. High performance liquid chromatography electrospray ionization tandem mass spectrometry (HPLC-ESI-MS/MS) was used to determine the CGA present, along with the concentrations of respective metabolites.
During a blind data review meeting, 20 of the 56 analysed plasma metabolites were chosen for further statistical analysis. A total of 36 metabolites were monitored in the urine samples. Similar as in the plasma samples, between-treatment differences, measured through AUC, Cmax, and tmax, of various CGA derived metabolites were to estimate. Each treatment was also analysed in terms of the correlation between the plasma AUC and urinary excretion of seven metabolites.
It is already known that inter-individual variations in CGA absorption depends on gut microbial degradation and affects the efficacy of these compounds. Microorganisms present in the gastrointestinal tract metabolise CGA to form dihydroferulic acid (DHFA) and dihydrocaffeic acid (DHCA) derivatives, which precede the subsequent formation of a wide range of metabolites. Therefore stool samples were collected from the participants within 12 h before the second study day. Subsequent an ex-vivo incubation of faecal samples with 5-O-caffeoylquinic acid (5-CQA), the main chlorogenic acid found in coffee was performed. An HPLC system connected to a CoulArray® detector was used to measure the concentrations of 5-CQA and its metabolites. Reduced concentrations of 5-CQA as well as the appearance of DHCA and caffeic acid (CA) in the gut microbiota medium, were monitored to calculate the inter-individual kinetics for each compound. In addition, these samples were analysed for microbiota content by an external laboratory (L&S, Bad Bocklet, Germany). These results were used to distinguish whether the decreased or increased content of a specific microorganism was related to an individual’s decreased or increased metabolic efficiency. Finally, we used to aforementioned results to evaluate if any correlation could be drawn between the plasma appearance, urinary excretion and ability of microorganisms to degrade 5-CQA.
Strong inter-individual variation was observed for AUC, Cmax and tmax. The AUC measured the quantity of CGA in plasma samples. We noted that pure instant coffee consumption resulted in slightly higher CGA bioavailability than instant coffee with the additional consumption of a meal. However, these differences were not statistically significant. Additionally, the metabolites were divided into groups, according to similarity and chemical properties. They were further classified into three groups according to their physical structure and predicated from the area of appearance: directly from coffee (quinics), after first degradation and metabolism (phenolics, all trans-cinammic acids and their sulfates and glucuronides) as well as colonic degradation and metabolism (colonics, all dihydro compounds). These respective metabolic classes showed significant differences in the AUC values of certain classes yet no significant between-treatment differences. Our results corroborated earlier studies in that the three caffeoylquinic acid (CQA) isomers were absorbed to a lower extent whereas all feruloylquinic acids (FQA) were detected in comparably high amounts in the plasma samples of the volunteers. However, the amount of these quinic acid conjugates in the plasma samples accounted for only 0,5% of the total amount of identified. In contrast, at least 8.7% of the investigated compounds were identified to be phenolics. Dihydro compounds, the so known colonics, were identified as the most common metabolites (90.8%). Additionally, dihydroferulic acid (DHFA), meta-dihydrocoumaric acid (mDHCoA), dihydrocaffeic acid-3-sulfate (DHCA3S) and dihydroisoferulic acid (DHiFA) were identified to account for 78% of the studied metabolites, and thus represent the most abundant compounds circulating in the plasma after coffee consumption.
Irrespective of treatment, the tmax value for early metabolites (quinic and phenolic compounds) was observed between 0 and 2 h after the ingestion of coffee and tmax value for late metabolites (colonic metabolites) was observed between 7 and 10 h. The amount of colonic metabolites had not returned to the baseline level 15 h after the ingestion of coffee. The co-ingestion of breakfast and coffee, when compared to the ingestion of coffee alone, significantly increased the Cmax values for all quinic and phenolic compounds, as well as two colonic metabolites (DHCA and DHiFA). These differences also revealed that the three treatments differed in terms of the kinetics of release. Thus, future studies should use an extended plasma collection time with shorter intervals (e.g. 2 h) to provide a full pharmacokinetic profile.
There were no statistically significant between-treatment differences in the urine samples collected 24 h after coffee ingestion. However, urine samples collected within six hours of the consumption of coffee alone or in combination with a fat-rich meal showed significantly higher CGA quantities than samples collected at the same time point for coffee ingested with a carbohydrate-rich. Strong inter-individual variability and the fact that only 14 healthy subjects participated in the study hindered the identification of any clear trend between the plasma concentrations of metabolites and their excretion in urine.
Four hours after the ex vivo incubation of 5-CQA with individual faecal samples the sum of 5-CQA, CA, and DHCA varied strongly between participants. These findings could result from binding effects of the phenolic compounds with faecal constituents, further degradation or metabolism, and/or the release of bound phenolic substances before the experiment started. We hypothesized that for participants with high plasma AUCs of dihydro compounds, their incubation samples show also high concentrations of CA and DHCA in the incubation medium after four hours. No significant correlation could be found.
This study and all of the outcomes were exploratory. Due to the limited number of participants, we could only investigate tendencies for how the co-ingestion of food affects the bioavailability of CGAs and their respective metabolites following coffee consumption. Therefore, the achieved results are only indicative. Despite this limitation, the data highlight that even though all three treatments had strong similarities in the total bioavailability of CGAs and metabolites from instant coffee, there were between-treatment differences in the kinetics of release. The co-ingestion of breakfast and coffee favoured a slow and continuous release of colonic metabolites while non-metabolized coffee components were observed in plasma within the first hour when coffee was ingested alone.
In conclusion, both a shift in gastrointestinal transit time and the plasma metabolite composition were observed when the ingestion of coffee alone or in combination with breakfast were compared. These results showed that breakfast consumption induces the retarded release of chlorogenic acid metabolites in humans. The data from our human intervention study suggest that the bioavailability of chlorogenic acids from coffee and their derivatives does not only depend on chemical structure, molecular size and active or passive transport ability, but is also influenced by inter-individual differences. Therefore, we strongly recommend that future studies include metabolism experiments that focus on microbiota genotypes and/or the genotyping of individual subjects. This type of research could be pivotal to elucidating whether, and how, genotype affects the metabolic profile after chlorogenic acid intake.
Temporal Data Management and Incremental Data Recomputation with Wide-column Stores and MapReduce
(2017)
In recent years, ”Big Data” has become an important topic in academia
and industry. To handle the challenges and problems caused by Big Data,
new types of data storage systems called ”NoSQL stores” (means ”Not-only-
SQL”) have emerged.
”Wide-column stores” are one kind of NoSQL stores. Compared to relational database systems, wide-column stores introduce a new data model,
new IRUD (Insert, Retrieve, Update and Delete) semantics with support for
schema-flexibility, single-row transactions and data expiration constraints.
Moreover, each column stores multiple data versions with associated time-
stamps. Well-known examples are Google’s ”Big-table” and its open sourced
counterpart ”HBase”. Recently, such systems are increasingly used in business intelligence and data warehouse environments to provide decision support, controlling and revision capabilities.
Besides managing the current values, data warehouses also require management and processing of historical, time-related data. Data warehouses
frequently employ techniques for processing changes in various data sources
and incrementally applying such changes to the warehouse to keep it up-to-
date. Although both incremental data warehousing maintenance and temporal data management have been the subject of intensive research in the
relational database and finally commercial database products have picked up
the ability for temporal data processing and management, such capabilities
have not been explored systematically for today’s wide-column stores.
This thesis helps to address the shortcomings mentioned above. It care-
fully analyzes the properties of wide-column stores and the applicability
of mechanisms for temporal data management and incremental data ware-
house maintenance known from relational databases, extends well-known approaches and develops new capabilities for providing equivalent support in
wide-column stores.
Nonwoven materials are used as filter media which are the key component of automotive filters such as air filters, oil filters, and fuel filters. Today, the advanced engine technologies require innovative filter media with higher performances. A virtual microstructure of the nonwoven filter medium, which has similar filter properties as the existing material, can be used to design new filter media from existing media. Nonwoven materials considered in this thesis prominently feature non-overlapping fibers, curved fibers, fibers with circular cross section, fibers of apparently infinite length, and fiber bundles. To this end, as part of this thesis, we extend the Altendorf-Jeulin individual fiber model to incorporate all the above mentioned features. The resulting novel stochastic 3D fiber model can generate geometries with good visual resemblance of real filter media. Furthermore, pressure drop, which is one of the important physical properties of the filter, simulated numerically on the computed tomography (CT) data of the real nonwoven material agrees well (with a relative error of 8%) with the pressure drop simulated in the generated microstructure realizations from our model.
Generally, filter properties for the CT data and generated microstructure realizations are computed using numerical simulations. Since numerical simulations require extensive system memory and computation time, it is important to find the representative domain size of the generated microstructure for a required filter property. As part of this thesis, simulation and a statistical approach are used to estimate the representative domain size of our microstructure model. Precisely, the representative domain size with respect to the packing density, the pore size distribution, and the pressure drop are considered. It turns out that the statistical approach can be used to estimate the representative domain size for the given property more precisely and using less generated microstructures than the purely simulation based approach.
Among the various properties of fibrous filter media, fiber thickness and orientation are important characteristics which should be considered in design and quality assurance of filter media. Automatic analysis of images from scanning electron microscopy (SEM) is a suitable tool in that context. Yet, the accuracy of such image analysis tools cannot be judged based on images of real filter media since their true fiber thickness and orientation can never be known accurately. A solution is to employ synthetically generated models for evaluation. By combining our 3D fiber system model with simulation of the SEM imaging process, quantitative evaluation of the fiber thickness and orientation measurements becomes feasible. We evaluate the state-of-the-art automatic thickness and orientation estimation method that way.
Bei der Entwicklung moderner Landmaschinen besteht der Zielkonflikt zwischen Zuverlässigkeit und Dauerhaltbarkeit auf der einen Seite und Kosten- und Fahrzeugeffizienz auf der anderen Seite. Repräsentative Lastkollektive zur Beschreibung der Betriebsbelastungen im Nutzungsbetrieb sind dabei eine zentrale Forderung zur Dimensionierung von Bauteilen. Eine große Herausforderung besteht in der adäquaten Beschreibung der Nutzungsvariabilität einer Kundenpopulation und der Identifikation der kritischsten Kombination der Lastfälle.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Ermittlung und Erprobung eines Verfahrens zur Beschreibung der wirkenden Belastungen von Traktoren im Anwendungsbetrieb. Im Fokus steht die Ableitung repräsentativer Lastkollektive, die als Grundlage für Betriebsfestigkeitsprüfungen dienen. Inhaltlich basiert das eingesetzte Verfahren auf der systematischen Trennung der auftretenden Betriebszustände (Faktormodell) und deren Einsatzverteilung im Kundenbetrieb (Nutzungsmodell). Die im Faktormodell identifizierten Betriebszustände werden dabei durch repräsentative Lastmessungen im Kundenbetrieb beschrieben. Mittels Monte-Carlo-Simulation erfolgt die Erzeugung einer beliebigen Anzahl virtueller Nutzer auf Basis der definierten Randbedingungen des Nutzungsmodells. Die erzeugten Nutzer besitzen jeweils eine individuelle Einsatzverteilung und das Verfahren ordnet ihnen abhängig von der vorgegebenen Nutzungsdauer die Lastdaten der korrespondierenden Betriebszustände zu. Die ausgewählten Lastdaten werden entsprechend der spezifischen Einsatzverteilung in Form von Pseudo-Schädigungszahlen für die Ziellebensdauer des Fahrzeugs aufsummiert. Die ermittelten Gesamtschädigungen sind dabei als Maß für die Härte der Belastungen im Anwendungsbetrieb zu verstehen. Auf Basis der Verteilung der Gesamtschädigungen einer Nutzerpopulation erfolgt die Identifikation des Referenz- oder Auslegungsnutzers (z. B.: 95% oder 99% Quantil). Die hinter dem ausgewählten Nutzer steckende Kombination der Lastfälle ermöglicht die Berechnung von repräsentativen Lastkollektiven. Das Verfahren ist zur Ermittlung von Eingangsbelastungen für Prüfprozeduren und die numerische Betriebsfestigkeitssimulation nutzbar. Es eignet sich weiterhin zur Durchführung von Sensitivitätsstudien bei der Entwicklung neuer Fahrzeuge wie auch zur Identifikation von marktspezifischem Kostenreduzierungspotential.
Die kollaborative Mobilität, unter der sinngemäß das Teilen von Mobilitätsangeboten („Nutzen statt Besitzen“) mit Unterstützung durch Location-Based-Services verstanden wird, stellt den theoretischen Überbau dieser Arbeit dar. Hierunter fallen auch bereits bekannte Mobilitätskonzepte, z. B. Fahrgemeinschaften, Mitfahrerparkplätze und Carsharing. Der Begriff Location-Based-Services umfasst zeit-räumliche Dienstleistungen auf Basis der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT).
Die Berufspendler mit Wohnort in ländlichen Räumen sind mit zunehmenden Mobilitätsproblemen, z. B. steigenden Mobilitätskosten und einem zunehmend unattraktiveren ÖPNV-Angebot konfrontiert. Gleichwohl sind soziale und berufliche Gründe sowie der Besitz von Immobilien die größten Hemmnisse, den Wohn- oder Arbeitsort zu wechseln. Die Koordination solcher Berufspendler stellt wegen des Wunsches nach Flexibilität und den zeitlich-räumlichen Gegebenheiten eine große Herausforderung dar.
Mit der Verbreitung von Smartphones, dem einhergehenden Mobilitätswandel im Sinne der kollaborativen Mobilität und den hiermit verknüpften Entwicklungen der Sharing-Economy liegen mithilfe von Location-Based-Services technische Rahmenbedingungen vor, mit denen auch eine spontane Koordination von Fahrgemeinschaften möglich ist („Fahrgemeinschaftsbörsen der dritten Generation“).
In der vorliegenden Arbeit werden daher die Potenziale und Ansatzpunkte für eine kollaborative Alltagsmobilität der PKW-Pendler am Beispiel von Mitfahrerparkplätzen, Fahrgemeinschaften und Location-Based-Services sowie die Wirkung der betrachteten Beispiele untersucht (Ziele).
Zur Eingrenzung werden als Untersuchungsgruppe die täglichen, berufsbedingten Autopendler im Bundesland Rheinland-Pfalz, das stark ländlich geprägt ist, herangezogen.
Hierzu werden Datengrundlagen zur Abschätzung eines Fahrgemeinschaftspotenzials der täglichen Autopendler in Rheinland-Pfalz geschaffen, ein zugehöriges Analysewerkzeug auf Basis einer GIS-Datenbank entwickelt und angewendet sowie eine Wirkungsanalyse von Mitfahrerparkplätzen und Location-Based-Services durchgeführt. Dazu werden auch eigene empirische Grundlagen mithilfe einer Internet-Befragung zur Exploration des Themenfeldes Pendlerverkehr sowie durch Pendlerinterviews und Verkehrsmengenerhebungen auf ausgewählten Mitfahrerparkplätzen in Rheinland-Pfalz erarbeitet.
Hiermit wird erstmals die Wirkung von Mitfahrerparkplätzen seit ihrer Einführung in Rheinland-Pfalz untersucht. Im Mittel weisen Mitfahrerparkplätze einen Einzugsbereich von rund 10 km auf, im Median von rund 7,4 km. Fahrgemeinschaften, die Mitfahrerparkplätze in Rheinland-Pfalz benutzen, umfassen im Mittel 3,15 Personen je PKW. Mitfahrerparkplätze und Fahrgemeinschaften werden bei langen Arbeitswegen im Bereich von 50 km (für den einfachen Weg) überdurchschnittlich genutzt. Dabei liegen die Mitfahrerparkplätze in der Regel innerhalb des ersten Fünftels der einfachen Fahrtstrecke.
Für den Bau von Wohn- und Gewerbegebäuden werden schon seit vielen Jahren
Wandelemente aus haufwerksporigem Leichtbeton verwendet. DieWandelemente werden
in Fertigteilwerken hergestellt und „just-in-time“ auf die Baustelle geliefert und aufgebaut.
Die Wandelemente sind zum Teil massiv hergestellt (Wohnungsbau) oder aber
mit einzelnen Dämmkernen versehen (gewerbliche Bauten). Als Zuschlagsstoffe kommen
überwiegend Naturbims oder Blähton zum Einsatz. Durch einen, im Vergleich zu
Normalbeton und gefügedichtem Leichtbeton, niedrigen Anteil an Zement, berühren
sich die Zuschlagskörner nur punktuell. Dadurch entsteht die haufwerksporige Struktur.
Durch diese Gefügestruktur und die Verwendung von porigen Leichtzuschlägen,
erzielt haufwerksporiger Leichtbeton sehr gute bauphysikalische Eigenschaften, wie z.
B. eine gute Wärmeleitfähigkeit. Den guten bauphysikalischen Eigenschaften stehen
niedrige Festigkeiten gegenüber. Daher wird haufwerksporiger Leichtbeton als wärmedämmender
Leichtbeton in der Regel nur für tragende Bauteile mit geringen Festigkeitsanforderungen
eingesetzt.
Gestiegene Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz zwingen deutsche Hersteller
von Wandelementen aus haufwerksporigem Leichtbeton immer wieder zu Neuentwicklungen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Verwendung von haufwerksporigem
Leichtbeton in dreischichtigen Wandelementen (Sandwichelemente) untersucht.
Die Wandelemente bestehen dabei aus einer innenliegenden Tragschale, einer
außenliegenden Vorsatzschale und einer dazwischenliegenden Schicht aus Dämmstoff.
Die beiden Betonschalen werden durch entsprechende Verbindungselemente
verbunden. In dieser Arbeit wurden als Verbindungselement in der Bauindustrie gebräuchliche
Gitterträger gewählt.
In einer Vielzahl an Versuchen wurden unterschiedliche Erkenntnisse zum Tragverhalten
der Wandelemente gewonnen. An Vier-Punkt-Biegeversuchen wurde das allgemeine
Tragverhalten von bewehrten Platten untersucht. In Auszugversuchen wurde
die Tragfähigkeit von einbetonierten Gitterträgern bestimmt. Die Bestimmung des Last-
Verformungsverhaltens der Verbundfuge (Schicht aus Dämmung und Verbindungsmittel)
erfolgte anhand von Scherversuchen. An großformatigen Wandstreifen wurden zudem
Vier-Punkt-Biegeversuche durchgeführt. Diese Versuche wurden mit aus Literatur
entnommenen Berechnungsformeln für die Schnitt- und Verformungsgrößen aus
der Verbundtragwirkung nachgerechnet. Hierbei wurden sehr gute Übereinstimmungen
erreicht.
Der Einfluss der Gitterträger auf den Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) des
Wandquerschnittes wurde anhand von FE-Berechnungen untersucht. Aus den erzielten
Ergebnissen wurden Tabellen generiert, welche eine einfache Berechnung des
Wärmedurchgangskoeffizienten unter Berücksichtigung der Gitterträger ermöglicht.
Abschließend wird die Bemessung von dreischichtigenWandelemente aus haufwerksporigem
Leichtbeton und Gitterträger als Verbindungselement der beiden Betonschalen
nach DIN EN 1520 und den Erkenntnissen dieser Arbeit in einem Bemessungskonzept
vorgestellt.
Das Ziel der vorgelegten Dissertation bestand darin, eine eigenständige Methode zur Berechnung der Mößbauer Isomerieverschiebung δ und Quadrupolaufspaltung ∆EQ zu entwickeln und Rechenkonditionen zu formulieren, die eine optimale Übereinstimmung berechneter und gemessener Werte eben dieser Mößbauerparameter gewährleisten.
Die dafür eigenständig angefertigten Programme wurden innerhalb einer TURBO-MOLE Version implementiert, welche als Entwicklerversion in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Christoph van Wüllen genutzt wird. Diese Programme ermöglichen die Anfertigung von quantenchemischen Rechnungen unter Berücksichtigung der Ausdehnung der Atomkerne, indem sie die Ladungsverteilung des Atomkerns über eine Gaußfunktion simulieren.
Auf Grundlage dieser expliziten Berücksichtigung der Kernladungsverteilung lässt sich ein Operator berechnen, der als Produkt mit der Elektronendichte am Atomkern die Berechnung der Isomerieverschiebung zulässt. Des Weiteren lässt sich der Elektrische Feldgradiententensor berechnen, welcher die räumliche Verteilung der Elektronendichte um ein Atom beschreibt und so zur Berechnung der Quadrupolaufspaltung dient.
Mit Hilfe dieser Programme wurden umfassende Rechnungen angefertigt, die sowohl den Einfluss der verwendeten Basis als auch des Funktionals auf die Güte der dichtefunktionaltheoretischen Rechnung ermitteln und bewerten können. Dazu wurde ein Katalog an Molekülen erstellt, der den gesamten möglichen Wertebereich experimenteller Daten abdeckt. Diese Moleküle wurden unter Verwendung einer Referenzbasis berechnet, die sämtliche theoretischen Anforderungen an eine zur optimalen Berechnung der Mößbauerparameter geeigneten Basis erfüllt. Die Ergebnisse dieser Rechnungen dienten als Referenzwerte, welche mittels linearer Regression mit den Ergebnissen verschiedener getesteter Basissätze verglichen wurden. Dieses Verfahren wurde durch den Abgleich der experimentellen Daten der zugehörigen Moleküle vervollständigt.
Das Ergebnis dieser Benchmarkingprozesse zeigt, dass die Beschreibung des Rumpfbereichs des Atoms maßgeblich die Güte der Ergebnisse beeinflusst. Basissätze mit voller Qualität in allen Orbitalen führen zu einer deutlich höheren Übereinstimmung der berechneten Daten mit sowohl den Referenz- als auch den experimentellen Daten. Sie sind solchen Basissätzen vorzuziehen, die nur die Va- lenzorbitale mit der vollen Qualität der Basis beschreiben.
Keilzinkenverbindungen als Fügetechnik für dünne Bauteile aus mikrobewehrtem Hochleistungsbeton
(2017)
Auf Grundlage von in erster Linie experimentellen Untersuchungen wurden im Rahmen
der Arbeit Keilzinkenverbindungen zum Fügen dünner Bauteile aus mikrobewehrtem
Hochleistungsbeton erforscht. Als Klebstoff kam hierbei ein rein zementgebundener
Hochleistungsmörtel zum Einsatz.
Die Entwicklung von Hochleistungsbetonen und neuartigen Bewehrungsformen, wie
Glas- oder Kohlefasergelegen, ermöglicht die Realisierung von sehr filigranen Konstruktionen.
Aus verschiedenen Gründen, beschränkt sich die Anwendung fast ausschließlich
auf werksmäßig hergestellte Fertigteile. Um daraus größere Strukturen
realisieren zu können, sind geeignete Fügetechniken erforderlich. Einen vielversprechenden
Ansatz stellen hier Klebverbindungen dar. Das Kleben als flächige Fügetechnik
zeichnet sich durch eine kontinuierliche Kraftübertragung und gleichmäßige
Materialauslastung aus.
Der große Vorteil von Zement-Klebstoffen im Vergleich zu Reaktionsharzklebstoffen
ist, dass sie weitestgehend unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen sind. Neben
zwei Hochleistungsmörteln, welche auf einer von Mühlbauer 2012 entwickelten Rezeptur
basieren, wurde ein kommerzieller Hochleistungsmörtel eingesetzt.
In einem ersten Schritt wurden verschiedene Voruntersuchungen durchgeführt. Im
Mittelpunkt standen dabei Tastversuche mit unterschiedlichen Fugenvarianten. Das
Versuchsprogramm sah verschiedene Fugengeometrien und Beanspruchungsarten
vor. Neben Mikrobewehrung kam hierbei auch Stabstahlbewehrung zum Einsatz. Als
besonders vorteilhaft hat sich die Keilgeometrie oder Keilzinkenverbindung, wie aus
dem Holzbau bekannt, herauskristallisiert. Neben einer hohen Traglast weist diese
weitere positive Eigenschaften auf, wie z.B. ein duktiles Tragverhalten.
Auf Grundlage von Kleinteilversuchen wurden in einem nächsten Schritt Bruchkriterien
entwickelt, die die Festigkeit der Klebfuge sowohl für eine kombinierte Schub-
Druck- als auch für eine Schub-Zugbeanspruchung beschreiben.
In einer umfangreichen Versuchsserie wurde schließlich das Tragverhalten von Keilzinkenverbindungen
detailliert untersucht. Neben Zugversuchen wurden dabei auch
Drei- und Vierpunktbiegeversuche durchgeführt. Das Versagen lässt sich vereinfachend
in ein Fugenversagen und ein Bewehrungsversagen unterteilen. Ziel einer
fachgerechten Konstruktion und Ausführung von Keilzinkenverbindungen muss ein
Bewehrungsversagen und damit ein duktiles Tragverhalten sein. Einflussfaktoren auf
das Tragverhalten sind der Flankenneigungswinkel, die Zahnlänge, der Bewehrungsgrad
des Bauteils sowie die Art der Klebflächenvorbereitung und der verwendete
Klebstoff.
Basierend auf den gewonnen Erkenntnissen wurde in einem letzten Schritt ein praxisgerechtes
Bemessungskonzept für zugbeanspruchte, biegebeanspruchte sowie
biege-querkraftbeanspruchte Keilzinkenverbindungen entwickelt.
NoSQL-Datenbanken werden als Alternative zu klassischen relationalen Datenbanksystemen eingesetzt, um die Herausforderungen zu meistern, die „Big Data“ mit sich bringt. Big Data wird über die drei V definiert: Es sind große Datenmengen („Volume“), die schnell anwachsen („Velocity“) und heterogene Strukturen haben („Variety“). NoSQL-Datenbanken besitzen zudem meist nur sehr einfache Anfragemethoden. Um auch komplexe Datenanalysen durchzuführen, kommen meist Datenverarbeitungsframeworks wie MapReduce, Spark oder Flink zum Einsatz. Diese sind jedoch schwieriger in der Benutzung als SQL oder andere Anfragesprachen.
In dieser Arbeit wird die Datentransformationssprache NotaQL vorgestellt. Die Sprache verfolgt drei Ziele. Erstens ist sie mächtig, einfach zu erlernen und ermöglicht komplexe Transformationen in wenigen Code-Zeilen. Zweitens ist die Sprache unabhängig von einem speziellen Datenbankmanagementsystem oder einem Datenmodell. Daten können von einem System in ein anderes transformiert und Datenmodelle dementsprechend ineinander überführt werden. Drittens ist es möglich, NotaQL-Skripte auf verschiedene Arten auszuführen, sei es mittels eines Datenverarbeitsungsframeworks oder über die Abbildung in eine andere Sprache. Typische Datentransformationen werden periodisch ausgeführt, um bei sich ändernden Basisdaten die Ergebnisse aktuell zu halten. Für solche Transformationen werden in dieser Arbeit verschiedene inkrementellen Ansätze miteinander verglichen, die es möglich machen, dass NotaQL-Transformationen die vorherigen Ergebnisse wiederbenutzen und Änderungen seit der letzten Berechnung darauf anwenden können. Die NotaQL-Plattform unterstützt verschiedene inkrementelle und nicht-inkrementelle Ausführungsarten und beinhaltet eine intelligente Advisor-Komponente, um Transformationen stets auf die bestmögliche Art auszuführen. Die vorgestellte Sprache ist optimiert für die gebräuchlichen NoSQL-Datenbanken, also Key-Value-Stores, Wide-Column-Stores, Dokumenten- und Graph-Datenbanken. Das mächtige und erweiterbare Datenmodell der Sprache erlaubt die Nutzung von Arrays, verschachtelten Objekten und Beziehungen zwischen Objekten. Darüber hinaus kann NotaQL aber nicht nur auf NoSQL-Datenbanken, sondern auch auf relationalen Datenbanken, Dateiformaten, Diensten und Datenströmen eingesetzt werden. Stößt ein Benutzer an das Limit, sind Kopplungen zu Programmiersprachen und existierenden Anwendungen mittels der Entwicklung benutzerdefinierter Funktionen und Engines möglich. Die Anwendungsmöglichkeiten von NotaQL sind Datentransformationen jeglicher Art, von Big-Data-Analysen und Polyglot-Persistence-Anwendungen bis hin zu Datenmigrationen und -integrationen.
Im Zentrum dieser Arbeit steht die theoretische Beschreibung der magnetischen Anisotropie des Rhenium(IV)ions unter Anwendung von Dichtefunktionaltheorie. Das Ziel ist die Untersuchung der Eignung ein- und zweikomponentiger Dichtefunktionalmethoden zur Berechnung der magnetischen Anisotropie von Rhenium(IV)komplexen sowie der Vorschlag eines Liganden, der einen dreikernigen MnReMn-Komplex ermöglicht, der Einzelmolekülmagnetcharakteristiken aufweist.
Zu Beginn sollen drei einkernige Komplexe mit ein- und zweikomponentigen Dichtefunktionalmethoden (1c-DFT und 2c-DFT) untersucht: [ReCl6]2–, [ReCl4ox]2– und [ReCl4(CN)2]2–. Im einkomponentigen erfolgt die Berücksichtigung der Spin-Bahn-Kopplung über Störungstheorie 2. Ordnung unter der Annahme, dass diese die führende Ordnung in der Spin-Bahn-Kopplung ist. Dabei wurde festgestellt, dass dies bei Rhenium(IV), anders als beispielsweise bei 3d-Ionen, nicht der Fall ist. Vielmehr besitzt die Spin-Bahn-Kopplung auch in 4. Ordnung einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss. Deshalb ist Störungstheorie 2. Ordnung ungeeignet, um die magnetische Anisotropie von Re(IV)-Komplexen zu bestimmen.
Zudem werden Berechnungen am dreikernigen [(PY5Me2Mn)2ReCl4(CN)2]2+-Komplex vorgestellt, der bereits in der Literatur beschrieben und hinsichtlich seiner magnetischen Anisotropie experimentell untersucht wurde. Dieser besteht aus einem [ReCl4(CN)2]2– Kern und jeweils zwei Mangan(II)ionen, die durch eine fünfzähnige „Endkappe“ abgeschlossen werden. Sowohl experimentell als auch theoretisch wurde festgestellt, dass die Rhombizität des Komplexes hoch ist, obwohl die lokale Symmetrie in der ersten Koordinationssphäre des Rheniumions (nahezu) D4h entspricht. Die Manganionen erzeugen durch die nicht-lineare Anordnung der Mn-NC-Re-CN-Mn-Einheit eine trigonale Verzerrung der Elektronenverteilung, die wiederum die Rhombizität der magnetischen Anisotropie vergrößert. Es wurde durch Berechnungen festgestellt, dass eine lineare Anordnung die Rhombizität erniedrigt. Aufgrund dieser Beobachtungen wurde die Suche nach einem Liganden aufgenommen, der als fünfzähnige „Endkappe“ fungiert und dabei eine lineare Anordnung der Mn-NC-Re-CN- Mn-Einheit ermöglicht. Dies wurde durch den PyMeAm4-Liganden, der aus einer Pyridin- und vier Amideinheiten besteht, in silico erreicht.
Im Kontext des demographischen Wandels, insbesondere des steigenden Anteils älterer Menschen, verweisen Politik und Wissenschaft auf die Zivilgesellschaft, um Versorgungsdefizite auszugleichen. Die Nachbarschaft nimmt dabei eine zentrale Rolle ein. Nachbarschaftliche Beziehungen erscheinen als ideale Instanzen, um Unterstützungsbedarfe Älterer aufzufangen, aber auch als Kontexte, in denen das Engagement von „jungen Alten“ genutzt werden kann. Bislang ist allerdings unklar, wie Beziehungen zu Nachbarn von Älteren interpretiert werden und damit, welche Potenziale für Unterstützung vorliegen.
In der vorliegenden Arbeit wird mittels qualitativer Befragungen das subjektive Verständnis von Nachbarschaft und Nachbarschaftshilfe bei älteren Menschen untersucht, die zur Gruppe der „jungen Alten“ gezählt werden können, d.h. noch ein aktives und unabhängiges Leben führen. Die Konzepte, die es herauszuarbeiten gilt, werden den durch die Befragten berichteten Interaktionen und Formen des Kontakts gegenübergestellt. Dabei werden drei unterschiedliche Wohnkontexte berücksichtigt: Erstens Nachbarschaftsbeziehungen in städtischen Wohnlagen; zweitens in Einfamilienhaussiedlungen, in denen sog. Siedlergemeinschaften bestehen, in denen sich die Bewohnerinnen und Bewohner als Vereine zusammengeschlossen haben; drittens in gemeinschaftlichen Wohnprojekten, bei denen das nachbarschaftliche Miteinander einen Teil des Selbstverständnisses ausmacht.
Es wird der Frage nachgegangen, wie sich die subjektive Interpretationen und Argumentationen älterer Menschen in Wohnkontexten mit unterschiedlichen Formen der Organisation des Zusammenlebens in Bezug auf Nachbarschaftsbeziehungen und die darin stattfindenden Hilfeleistungen darstellen. Die Arbeit soll so zu einem besseren Verständnis von Nachbarschaft älterer Menschen beitragen. Schließlich soll damit ein Beitrag geleistet werden zur Klärung der Frage, ob und unter welchen Bedingungen Nachbarschaft „belastbar“ ist und somit Nachbarschaftshilfe ein Konzept darstellen kann, dass tragfähige Strukturen für gegenseitige Unterstützung bietet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Nachbarschaftsbeziehungen ein durchaus hohes Potenzial aufweisen können in Bezug auf kleine, alltagsunterstützende Leistungen. Dauerhafte und intensivere Formen der Unterstützung sind dagegen selten und bedürfen besonderer, individueller und/ oder struktureller Rahmenbedingungen.
In the present work the concept of decarboxylative couplings and the strategy to use carboxylates as directing groups for C-H functionalizations have been decisively improved in three ways. These concepts emphasize the multifaceted nature of aromatic carboxylic acids as expedient starting materials in homogeneous catalysis to construct highly desirable molecular scaffolds in a straightforward fashion.
In the first project, the restriction of decarboxylative biaryl synthesis to exclusively couple aryl halides with ortho-substituted benzoic acids has been overcome by a holistic optimization of a Cu/Pd bimetallic catalyst system. Long ago postulated, this is now the proof that decarboxylative cross-couplings are not intrinsically limited to different decarboxylation propensities of benzoic acids or hampered by excess halides, accessing for the first time the entire spectrum of aromatic carboxylic acids as starting materials for the decarboxylative biaryl synthesis. The second project uses the carboxyl moiety as directing group for the ortho-arylation with aryl bromides and -chlorides catalyzed by comparatively inexpensive ruthenium. The carboxylic acid group remains untouched after the ortho-functionalization giving the possibility to a wealth of further diversifications via decarboxylative ipso-substitutions. Within the same project, a Cu/Ru bimetallic catalyst system was found to be able to switch the decarboxylative biaryl coupling from the ipso- to the ortho-position, complementing the Cu/Pd system developed in the first project. In a third project, a redox neutral C-C bond formation revealed the full synthetic potential of the carboxyl group. The COOH moiety acts as a classical directing group for the C-H hydroarylation of internal alkynes to form highly desirable 2-vinyl benzoic acids. With propargylic alcohols the hydroarylation is followed by an in situ esterification, showing that after easing the C-H cleavage, the directing group can be transformed into another functional group, thus, acting as a transformable directing group. Most importantly, a new fascinating reaction mode is activated by embedding the decarboxylation within the C-H functionalization event. This mode of action is capable to solve regioselectivity issues that inherently occur when dealing with carboxylates as directing groups. A so-called deciduous directing group is cast off simultaneously within the C-H functionalization event, resulting in an inherently monoselective pathway.
These methods were developed with the permanent goal of ensuring high sustainability. They do require neither pre-functionalized starting materials nor additional oxidants and provide access to a number of chemically relevant molecules from abundant, inexpensive and toxicologically innocuous educts.
The thesis studies change points in absolute time for censored survival data with some contributions to the more common analysis of change points with respect to survival time. We first introduce the notions and estimates of survival analysis, in particular the hazard function and censoring mechanisms. Then, we discuss change point models for survival data. In the literature, usually change points with respect to survival time are studied. Typical examples are piecewise constant and piecewise linear hazard functions. For that kind of models, we propose a new algorithm for numerical calculation of maximum likelihood estimates based on a cross entropy approach which in our simulations outperforms the common Nelder-Mead algorithm.
Our original motivation was the study of censored survival data (e.g., after diagnosis of breast cancer) over several decades. We wanted to investigate if the hazard functions differ between various time periods due, e.g., to progress in cancer treatment. This is a change point problem in the spirit of classical change point analysis. Horváth (1998) proposed a suitable change point test based on estimates of the cumulative hazard function. As an alternative, we propose similar tests based on nonparametric estimates of the hazard function. For one class of tests related to kernel probability density estimates, we develop fully the asymptotic theory for the change point tests. For the other class of estimates, which are versions of the Watson-Leadbetter estimate with censoring taken into account and which are related to the Nelson-Aalen estimate, we discuss some steps towards developing the full asymptotic theory. We close by applying the change point tests to simulated and real data, in particular to the breast cancer survival data from the SEER study.
Betonfertigteile mit integriertem Dämmstoff aus Polystyrol bieten eine ausgezeichnete Lösung zur baulichen Ausführung von Außenwandbauteilen. Die Vorteile gegenüber der Ortbetonbauweise, wie bspw. die Erfüllung hoher Qualitätsansprüche aufgrund der Vorfertigung im Fertigteilwerk oder das Entfallen von Arbeitsschritten auf der Baustelle, ermöglichen einen wirtschaftlichen Bauprozess. Bei der Halbfertigteilbauweise werden nur die äußeren Betonschalen vorgefertigt. Anschließend werden die Wände auf die Baustelle transportiert und mit Ortbeton zum Endquerschnitt verfüllt. Dies erspart den zeit- und kostenintensiven Schalungsvorgang und verringert gleichzeitig das Transportgewicht. Der beim Ausbetonieren der Halbfertigteile auftretende Frischbetondruck muss von Verbindungsmitteln, die zur Kopplung der Betonschalen dienen, mit ausreichender Sicherheit aufgenommen werden. Der Frischbetondruck ist derzeit nach DIN 18218 „Frischbetondruck auf lotrechte Schalungen“ anzunehmen. Die Beeinflussung durch einen integrierten Dämmstoff oder weitere Parameter einer Elementwand bleibt bisher allerdings unberücksichtigt. In Abhängigkeit der Randbedingungen wird der Frischbetondruck stark überschätzt, was zu einem unwirtschaftlichen Bemessungsergebnis im Bauzustand führt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die realitätsnahe Beschreibung des Frischbetondrucks in Elementwänden mit integriertem Dämmstoff.
Angesichts der Vielzahl an Einflussparametern werden die theoretischen und experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit systematisch geplant und durchgeführt. In Voruntersuchungen werden bereits einflussschwache Einflussparameter ausgeschlossen und maßgebende Einflussparameter für weiterführende Untersuchungen bestimmt. Neben zahlreichen kleinmaßstäblichen Versuchsreihen, die größtenteils zur Analyse und Beschreibung von einzelnen geometrischen oder werkstoffspezifischen Eigenschaften dienen, werden auch großmaßstäbliche Elementwände untersucht. Diese verfolgen das Ziel, ein besseres Verständnis für die Entstehung des Frischbetondrucks unter Einbeziehung von bauausführungstechnischen Randbedingungen zu entwickeln.
Auf Grundlage der theoretisch und experimentell gewonnenen Erkenntnisse dieser Arbeit wird ein realitätsnahes Berechnungsmodell zur Ermittlung des horizontalen Frischbetondrucks in Elementwänden mit integriertem Dämmstoff abgeleitet. Nach Validierung des Modells an Großversuchen und vereinfachenden Annahmen für einen praxisgerechten Einsatz kann der Frischbetondruck analog zur DIN 18218 mithilfe von einfachen Gleichungen, Tabellen und Diagrammen ermittelt werden. Die Anwendung und der wirtschaftliche Vorteil des Berechnungsmodells werden am Ende der Arbeit anhand von zwei Berechnungsbeispielen demonstriert.
Neben der Beeinflussung des Frischbetondrucks wirkt sich die Umlagerung von Zementleim aus dem Frischbeton in den Dämmstoff auch auf die Eigenschaften des Ortbetons und des Dämmstoffs der Elementwand aus. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass sich zwar die wärmedämmende Wirkung des Dämmstoffs verschlechtert, dies jedoch bei hohen Dämmstoffstärken zur Sicherstellung des Wärmeschutzes nach EnEV 2016 vernachlässigt werden kann. Die Druckfestigkeit des Ortbetons infolge des Zementleimentzugs wird durch die Verringerung des w/z-Werts und die nachbehandelnde Wirkung des feuchten Dämmstoffs positiv beeinflusst.
Novel Pseudocyclopeptides Containing 1,4-Disubstituted 1,2,3-Triazole Subunits for Anion Recognition
(2017)
Anion recognition is one of the most rapidly growing areas in the field of Supramolecular Chemistry due to the vital role of anions in the environment, in biology and in industry. The development of new anion binding motifs that can also be combined with known ones in a novel receptor is a timely topic. In this context, we have synthesized three cyclic pseudopeptides 16, 17 and 18, containing conventional H-bond donors (amide) in combination with, respectively, triazole C–H or triazole C–I functions.
All three receptors were synthesized by using a combination of peptide and click chemistry. Structural studies show that all three pseudopeptides adopt conformations with the triazole C-H or C-I groups pointing into the cavity center to allow them to contribute to binding. Quantitative binding studies showed that the cyclic pseudohexapeptide 1 coordinates to oxoanions (sulfate, dihydrogenphosphate, and hydrogenpyrophosphate) with different binding strengths and complex stoichiometries in 2.5 vol% water/DMSO.
Anion selectivity of 16 significantly changes when the cavity size of this pseudopeptide is increased to obtain the larger analog 17. This pseudooctapeptide forms well defined complexes with protonated phosphate anions. The complexation involves sandwiching of a cyclic tetramer of dihydrogenphosphate or a dimer of dihydrogenpyrophosphate anions by two pseudopeptide rings. Both complexes were characterized structurally in the solid state. They are stable in solution (2.5 vol% water/DMSO) as result of the interaction between hydrogen bond donors of 17 and the oxygen atoms of the anionic aggregates. The complexes can also be transferred to the gas phase without decomposition.
Anion selectivity of 16 was further altered by introducing iodine atom in the C5 position of the 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole units. The corresponding cyclic pseudohexapeptide 18 features a smaller cavity diameter than 17 as a result of the iodide atoms and was therefore found to only coordinate to smaller spherical anions such as chloride. It forms 1:1 complexes with chloride, bromide and iodide in 2.5 vol% water/DMSO. Among the halides, 18 has highest affinity for chloride followed by bromide and iodide. The same stability trend was also observed in the gas phase by ESI/MS.
Concluding, I prepared three new macrocyclic pseudopeptides during my PhD and characterized their complexes with anions in terms of structure and affinity. All of these pseudopeptides were shown to interact with phosphate-derived anions, which renders them unique among the anion receptors developed in the Kubik group before.
In the present work, the interaction of diatomic molecules with charged transition metal clusters and complexes was investigated. Temperature controlled isothermal kinetic studies served to elucidate the adsorption behavior of transition metal clusters. Infrared multiple photon dissociation (IR-MPD) experiments in conjunction with density functional theory (DFT) computations enabled the analysis of adsorbate induced changes on the structure and spin multiplicity of transition metal cores. A tandem cryo trap setup was used for the kinetic and spectroscopic investigations of the given compounds as isolated species in the gas phase. The presented investigations enabled insight into the metal-adsorbate bonding and provided cluster size and adsorbate coverage dependent information on cluster surface morphologies.
Fiber-reinforced plastics are hybrid materials designed for the needs of the 21st century.
With their capability to form low weight structures, while preserving high stiffness
and excellent damping, these composites provide solutions for a broad range of markets.
Unfortunately, some of these advantages are not used in practice because there exist
no fast and automated manufacturing processes for efficient production. In the research
field of continuous-reinforced thermoplastic composites, industry is facing a
challenge of high viscose polymer melt and thereby an imperfect fiber wet-out. As a
result, synergy effects of fibers within a polymer could not be fully exploited.
The topic of this work is to adapt new processing technologies for reactive thermoplastic
polymers. On one hand, fast heating and cooling options offer processes with
shorter cycle time, and on the other hand, low viscosity of reactive polymers impregnates
the textile structures faster. This results in faster and cheaper manufacturing of
composites that are yet to be realized for the market.
All FRPCs were produced on a continuous compression molding press. As a noncontinuous
technology, an inductive heated CageSystem® from RocTool has been
selected. Entropically driven ring-opening cyclic oligomers form Cyclics with waterlike
melt viscosities are chosen as reactive matrix.
The viscosity of Cyclic Butylene Terephthalate (CBT*) was measured using a rheometer.
The rheological behavior is determined under isothermal conditions for various
temperatures. The chemical transformation from oligomer to macromolecule pCBT1
was assessed by size exclusion chromatography. Based on these studies, a kinetic
polymerization model was constructed which involved an Arrhenius-type equation. By
using the activation energy and pre-exponential factor, it was possible to offer an
exact mathematical solution for the prediction of isothermal conversion. A numerical
solution of the Arrhenius equation helped to predict the polymerization for any timetemperature
conditions. Furthermore, the polymerization model was extended to describe
the chemo-rheology. Inserting specific material parameters, the bipartite model
was able to provide a numerical prognosis for the viscosity with the input parameters
time-temperature. All models were calibrated and validated with the experimental
data. The continuous compression molding press was used to consolidate CBT-prepregs
and PBT-prepregs. As reinforcing phase, a multiaxial non-crimp-fabric from Ahlstrom
was used. This fabric contained glass fibers with a “CBT*-compatible” sizing. The
design of experiments was mainly focusing on the variation in the temperature distribution
in process direction with respect to process speeds. An extensive analysis,
from optical to energy absorption, was performed on the resulting FRPC-product,
called organic sheet. All test results showed a better performance for GF-pCBT
compared to GF-PBT. Even for much higher process speed, the material properties
of GF-pCBT did not deteriorate strongly in contrast to GF-PBT. The enhancement
was traced to a better fiber-matrix interface (e.g., ILSS values) and to an excellent
fiber wet-out with pCBT (e.g., SEM pictures).
Viscosity and impregnation are the main factors behind the transversal visco-elastic
impregnation model that was deduced. An arithmetic function that tracks the impregnation
process for the classical thermoplastic PBT and its reactive pendant CBT*
was derived. This was based on the dimensionless B-factor which was considered as
technology independent performance indicator. The model was able to link the fast
impregnation with CBT* - the viscosity of which is 10-5 magnitude lower than PBT - to
all temperature-time-conditions. An optimization method was used to find process
parameters to realize a minimum cycle time for the continuous process. This model
was adapted to the non-continuous pressing technology to find the minimum cycle
time.
To evaluate the economic potential, a transparent process analysis was set up in
form of a static cost calculation. In a first step, all monetary activities from each technology
were identified and rated. The cycle time - as main capacity indicator - was
based on the chemo-rheological model introduced above. Different break-even
analyses and production costs highlighted the techno-economic potential of the related
process-material-combination. A synergistic effect between innovative process
technologies and reactive thermoplastic polymer was found.
Faster and more efficient technologies for the production of fiber-reinforced plastics
have been systematically developed and evaluated. The results were achieved with
an intelligent combination of manufacturing technology and modern reactive thermoplastic
polymers. Moreover, the approach of this work can be transferred to the other
reactive thermoplastic matrix-based composites.
Bei der Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden durch Harzinjektionsverfahren
wird ein textiler Vorformling, die Preform, mit einem Harzsystem imprägniert und
anschließend ausgehärtet. Die Erzeugung der Preform, auch Preforming genannt,
beinhaltet dabei eine Vielzahl an Arbeitsschritten, welche maßgeblich die Kosten des
herzustellenden Bauteils bestimmen. Die Automatisierung des Preformings birgt
daher ein enorm hohes Potential zur Kostenreduzierung. Im Rahmen dieser Arbeit
wurde deshalb ein neues Preforming System entwickelt, welches die kontinuierliche
Herstellung von Profil-Preforms aus textilen Halbzeugen ermöglicht. Erstmalig wurde
dabei zur kontinuierlichen Fixierung die Nähtechnik verwendet, welche ein energieund
zeiteffizientes Preforming zulässt. Allerdings hat sich bei der Herstellung von
Profil-Preforms mit unterschiedlichen textilen Halbzeugen gezeigt, dass die maximal
erreichbare Prozessgeschwindigkeit ohne relative Textilschädigung variiert. Ursache
hierfür ist das Textilverhalten während der Formgebung. Durch die Wahl geeigneter
Material- und Prozessparameter besteht allerdings ein hohes Potential, einen
Preforming Prozess zu optimieren. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, Richtlinien
für Material- und Prozessparameter zu entwickeln, die sowohl eine robuste als auch
effiziente Preformherstellung ermöglichen.
Als kritische Textileigenschaften wurden das Kompaktierungs-, das Reibungs- und
das Biegeverhalten identifiziert. Diese wurden in separaten Parameterstudien
hinsichtlich der Auswirkungen von Materialparametern (z. B. Bindungsart) und
Prozessparametern (z. B. Prozessgeschwindigkeit) untersucht. Die Ergebnisse
konnten anschließend in Richtlinien zusammengefasst werden, welche für eine
prozessorientierte Materialauswahl oder für Prozessmodifikationen beim Preforming
genutzt werden können. Bei der Übertragung auf einen Preforming Prozess muss
jedoch berücksichtigt werden, dass sich Effekte verursacht durch Kompaktierung,
Reibung und Biegung in Abhängigkeit des Faservolumengehaltes der Preforms
überlagern können. Daher wurden anhand einer weiteren Studie dominierende
Textileigenschaften in Abhängigkeit des Ziel-FVG der Profil-Preforms beim
entwickelten Preforming Prozess identifiziert. Abschließend wurden die entwickelten
Richtlinien verifiziert, indem sowohl eine prozessorientierte Materialauswahl als auch
prozessseitig eine Vorkompaktierungseinheit validiert wurden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue nachhaltige Methoden zur selektiven C−C Bindungsknüpfung ausgehend von Carbonsäuren entwickelt. Dabei wurden die Reaktionskonzepte der decarboxylierenden Biarylsynthese sowie der Carboxylat-dirigierten Arylierung verfolgt.
Geleitet von eingehenden DFT-Studien wurde ein Katalysatorsystem entwickelt, mit dem die Reaktionstemperatur der Kupfer/Palladium-katalysierten decarboxylierenden Kreuzkupplung von ursprünglich über 150 °C auf 100−120 °C abgesenkt werden konnte. Dazu wurden bidentate P,N-Liganden eingesetzt, die die Katalysatormetalle verbrückend koordinieren können und so die geschwindigkeitsbestimmende Transmetallierung erleichtern.
Daneben gelang es, ein bimetallisches Kupfer/Palladium Katalysatorsystem zu entwickeln, welches die Synthese 3-substituierter 2 (Hetero-)Arylpyridine bei nur 130 °C ermöglicht. Dies basierte auf der Entdeckung, dass ein Substituent ortho zur Carboxygruppe der Pyridin-2-carbonsäure ebenso wie im Fall von Benzoesäuren eine Decarboxylierung begünstigt.
Neben den decarboxylierenden ipso-Arylierungen wurden auch neue Protokolle für Carboxylat-dirigierte ortho-Arylierungen von Benzoesäuren entwickelt. So wurde diese erstmals mit Aryldiazoniumsalzen als Kupplungspartner realisiert. Das neue Protokoll unter Verwendung eines Iridium-basierten Katalysatorsystems gewährleistet eine Reaktionsführung unter vergleichsweise milden Bedingungen. Zudem wird eine Orthogonalität zu Kupplungen mit Arylhalogeniden geschaffen.
Daneben wurde ein Protokoll für die ortho-Arylierung von Benzoesäuren mit Arylhalogeniden entwickelt, welches erstmals auf kostengünstigen Ruthenium-Katalysatoren basiert.
Die Überlegenheit der Carboxylatgruppe im Vergleich zu anderen dirigierenden Gruppen konnte demonstriert werden, indem sie im Anschluss an die jeweilige ortho-Arylierung entfernt sowie als Ankerpunkt in weiteren Funktionalisierungen genutzt wurde.
Weiterhin gelang es, eine Kupfer/Palladium-katalysierte decarboxylierende Mizoroki-Heck-Reaktion von Zimtsäuren mit Arylhalogeniden zu entwickeln, welche selektiv 1,1 Diarylalkene zugänglich macht. Dabei agiert die Carboxylatgruppe als abfallende dirigierende Gruppe.
Das synthetische Potential der neu entwickelten Methoden wurde jeweils anhand eines diversen Substratspektrums demonstriert. Darüber hinaus lieferten mechanistische Studien zu den Carboxylat-dirigierten Transformationen Einblicke zum Ablauf der Reaktionen.
In this thesis viscoelastic material models are established to investigate the nature of continuous calving processes at Antarctic ice shelves. Physics-based descriptions of calving require appropriate fracture criteria to separate icebergs from the remaining ice shelf. Hence, criteria of the stress, the strain, and the self-similarity criterion are considered within finite-element computations. Crucial parameters in the models to determine the position of calving are the accurate knowledge of the geometry, especially the freeboard height, while the material parameters mainly influence the time span between two successive calving events. The extension to nonlinear material models is necessary to properly analyze the internal forces also for large deformations that occur for longer times of the viscous ice flow.
Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein Verfahren entwickelt, dass es kleinen Gemeinden erlaubt, selbstständig die siedlungsökologische Situation innerhalb ihrer Siedlung zu analysieren. Das entwickelte Matrix-Verfahren beruht dabei nicht auf der Messung oder Simulation der Klimaparameter, sondern auf der Abschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von verschiede-nen siedlungsklimarelevanten Indikatoren. Dabei werden die Indikatoren nicht isoliert betrachtet, sondern paarweise in einer Matrix gegenübergestellt. An-hand der Ausprägungsintensität der Indikatoren kann aus dieser Matrix die Ein-trittswahrscheinlichkeit eines Stadtklimaphänomens abgeschätzt werden. Durch Anwendung des entwickelten Verfahrens können die für kleine Siedlun-gen relevanten Themenbereiche „urbane Überwärmung“, „urbane Frisch- und Kaltluftversorgung“ und „urbaner Wasserhaushalt“ untersucht werden.
Eng mit der Entwicklung der Matrix-Methode verknüpft, wurde parallel ein Be-standsaufnahmeverfahren entwickelt, dass für die Erfassung der Indikatoren genutzt wird. Für die Bestandsaufnahme vor Ort wurde die Android-App „ÖkoHaSie“ entwickelt, die den Anwender Schritt-für-Schritt durch die Be-standsaufnahme leitet.
Die Kombination aus den beiden entwickelten Komponenten „Matrix-Methode“ und „ÖkoHaSie“ ermöglicht es Gemeinden schnell und selbstständig siedlungsökologische Risiko- und Potenzialflächen zu identifizieren. Durch den im Vergleich zu anderen Siedlungsklimaanalysemethoden geringen Arbeits-aufwand und die deutlich günstigeren Anschaffungskosten von technischen Geräten und Softwarelizenzen kann die Matrix-Methode als einzige „low-cost“-Lösung angesehen werden, die es Gemeinden ermöglicht, selbstständig die siedlungsökologische Situation vor Ort zu analysieren.
The main theme of this thesis is the interplay between algebraic and tropical intersection
theory, especially in the context of enumerative geometry. We begin by exploiting
well-known results about tropicalizations of subvarieties of algebraic tori to give a
simple proof of Nishinou and Siebert’s correspondence theorem for rational curves
through given points in toric varieties. Afterwards, we extend this correspondence
by additionally allowing intersections with psi-classes. We do this by constructing
a tropicalization map for cycle classes on toroidal embeddings. It maps algebraic
cycle classes to elements of the Chow group of the cone complex of the toroidal
embedding, that is to weighted polyhedral complexes, which are balanced with respect
to an appropriate map to a vector space, modulo a naturally defined equivalence relation.
We then show that tropicalization respects basic intersection-theoretic operations like
intersections with boundary divisors and apply this to the appropriate moduli spaces
to obtain our correspondence theorem.
Trying to apply similar methods in higher genera inevitably confronts us with moduli
spaces which are not toroidal. This motivates the last part of this thesis, where we
construct tropicalizations of cycles on fine logarithmic schemes. The logarithmic point of
view also motivates our interpretation of tropical intersection theory as the dualization
of the intersection theory of Kato fans. This duality gives a new perspective on the
tropicalization map; namely, as the dualization of a pull-back via the characteristic
morphism of a logarithmic scheme.
Magnetic and Structural Characterization of Isolated Gaseous Ions by XMCD and IRMPD Spectroscopy
(2017)
This thesis comprises four independent research studies on the magnetic and structural characterization of isolated ions in the gas phase. The electrospray ionization (ESI) technique is used for the transfer of (multi-)metallic complexes and organic molecules from solution into the gas phase. The subsequent storage of molecular ions in ion traps allows for a variety of spectroscopic methods in order to investigate the intrinsic properties of the isolated species void of solvent, crystal lattice, bulk or supporting surface effects. The magnetic properties of metal complexes are elucidated by gas phase X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) spectroscopy. The element selective technique in combination with sum rule analysis allows for a separate determination of spin and orbital magnetic moments at different metal centers. Structural investigations on isolated molecular ions in terms of coordination sphere, binding motifs and hydrogen bonds are conducted using infrared multiple photon dissociation (IRMPD) spectroscopy. A resonant two color IRMPD technique serves to increase fragmentation yields, overcome dissociation bottlenecks and reveal otherwise dark bands. Comparison of experimental IRMPD spectra with calculated harmonic absorption spectra by density functional theory (DFT) provides structural assignments for a profound understanding of intra- and intermolecular interactions.
”In contemporary electronics 80% of a chip may perform digital functions but the 20%
of analog functions may take 80% of the development time.” [1]. Aggravating this, the
demands on analog design is increasing with rapid technology scaling. Most designs
have moved away from analog to digital domains, where possible, however, interacting
with the environment will always require analog to digital data conversion. Adding to
this problem, the number of sensors used in consumer and industry related products are
rapidly increasing. Designers of ADCs are dealing with this problem in several ways, the
most important is the migration towards digital designs and time domain techniques.
Time to Digital Converters (TDC) are becoming increasingly popular for robust signal
processing. Biological neurons make use of spikes, which carry spike timing information
and will not be affected by the problems related to technology scaling. Neuromorphic
ADCs still remain exotic with few implementations in sub-micron technologies Table 2.7.
Even among these few designs, the strengths of biological neurons are rarely exploited.
From a previous work [2], LUCOS, a high dynamic range image sensor, the efficiency
of spike processing has been validated. The ideas from this work can be generalized to
make a highly effective sensor signal conditioning system, which carries the promise to
be robust to technology scaling.
The goal of this work is to create a novel spiking neural ADC as a novel form of a
Multi-Sensor Signal Conditioning and Conversion system, which
• Will be able to interface with or be a part of a System on Chip with traditional
analog or advanced digital components.
• Will have a graceful degradation.
• Will be robust to noise and jitter related problems.
• Will be able to learn and adapt to static errors and dynamic errors.
• Will be capable of self-repair, self-monitoring and self-calibration
Sensory systems in humans and other animals analyze the environment using several
techniques. These techniques have been evolved and perfected to help the animal sur-
vive. Different animals specialize in different sense organs, however, the peripheral
neural network architectures remain similar among various animal species with few ex-
ceptions. While there are many biological sensing techniques present, most popularly
used engineering techniques are based on intensity detection, frequency detection, and
edge detection. These techniques are used with traditional analog processing (e.g., colorvi
sensors using filters), and with biological techniques (e.g. LUCOS chip [2]). The local-
ization capability of animals has never been fully utilized.
One of the most important capabilities for animals, vertebrates or invertebrates, is the
capability for localization. The object of localization can be predator, prey, sources of
water, or food. Since these are basic necessities for survival, they evolve much faster
due to the survival of the fittest. In fact, localization capabilities, even if the sensors
are different, have convergently evolved to have same processing methods (coincidence
detection) in their peripheral neurons (for e.g., forked tongue of a snake, antennae of
a cockroach, acoustic localization in fishes and mammals). This convergent evolution
increases the validity of the technique. In this work, localization concepts based on
acoustic localization and tropotaxis are investigated and employed for creation of novel
ADCs.
Unlike intensity and frequency detection, which are not linear (for e.g. eyes saturate in
bright light, loose color perception in low light), localization is inherently linear. This
is mainly because the accurate localization of predator or prey can be the difference
between life and death for an animal.
Figure 1 visually explains the ADC concept proposed in this work. This has two parts.
(1) Sensor to Spike(time) Conversion (SSC), (2) Spike(time) to Digital Conversion(SDC).
Both of the structures have been designed with models of biological neurons. The
combination of these two structures is called SSDC.
To efficiently implement the proposed concept, a comparison of several biological neural
models is made and two models are shortlisted. Various synapse structures are also
studied. From this study, Leaky Integrate and Fire neuron (LIF) is chosen since it
fulfills all the requirements of the proposed structure. The analog neuron and synapse
designs from Indiveri et. al. [3], [4] were taken, and simulations were conducted using
cadence and the behavioral equivalence with biological counterpart was checked. The
LIF neuron had features, that were not required for the proposed approach. A simple
LIF neuron stripped of these features and was designed to be as fast as allowed by the
technology.
The SDC was designed with the neural building blocks and the delays were designed
using buffer chains. This SDC converts incoming Time Interval Code (TIC) to sparse
place coding using coincidence detection. Coincidence detection is a property of spiking
neurons, which is a time domain equivalent of a Gaussian Kernel. The SDC is designed to
have an online reconfigurable Gaussian kernel width, weight, threshold, and refractory
period. The advantage of sparse place codes, which contain rank order coding wasvii
Figure 1: ADC as a localization problem (right), Jeffress model of sound localization
visualized (left). The values t 1 and t 2 indicate the time taken from the source to s1 and
s2 respectively.
described in our work [5]. A time based winner take all circuit with memory was created
based on a previous work [6] for reading out of sparse place codes asynchronously.
The SSC was also initially designed with the same building blocks. Additionally, a
differential synapse was designed for better SSC. The sensor element considered wasviii
a Wheatstone full bridge AMR sensor AFF755 from Sensitec GmbH. A reconfigurable
version of the synapse was also designed for a more generic sensor interface.
The first prototype chip SSDCα was designed with 257 modules of coincidence detectors
realizing the SDC and the SSC. Since the spike times are the most important information,
the spikes can be treated as digital pulses. This provides the capability for digital
communication between analog modules. This creates a lot of freedom for use of digital
processing between the discussed analog modules. This advantage is fully exploited
in the design of SSDCα. Three SSC modules are multiplexed to the SDC. These SSC
modules also provide outputs from the chip simultaneously. A rising edge detecting fixed
pulse width generation circuit is used to create pulses that are best suited for efficient
performance of the SDC. The delay lines are made reconfigurable to increase robustness
and modify the span of the SDC. The readout technique used in the first prototype is
a relatively slow but safe shift register. It is used to analyze the characteristics of the
core work. This will be replaced by faster alternatives discussed in the work. The area
of the chip is 8.5 mm 2 . It has a sampling rate from DC to 150 kHz. It has a resolution
from 8-bit to 13-bit. It has 28,200 transistors on the chip. It has been designed in 350
nm CMOS technology from ams. The chip has been manufactured and tested with a
sampling rate of 10 kHz and a theoretical resolution of 8 bits. However, due to the
limitations of our Time-Interval-Generator, we are able to confirm for only 4 bits of
resolution.
The key novel contributions of this work are
• Neuromorphic implementation of AD conversion as a localization problem based
on sound localization and tropotaxis concepts found in nature.
• Coincidence detection with sparse place coding to enhance resolution.
• Graceful degradation without redundant elements, inherent robustness to noise,
which helps in scaling of technologies
• Amenable to local adaptation and self-x features.
Conceptual goals have all been fulfilled, with the exception of adaptation. The feasibility
for local adaptation has been shown with promising results and further investigation is
required for future work. This thesis work acts as a baseline, paving the way for R&D
in a new direction. The chip design has used 350 nm ams hitkit as a vehicle to prove
the functionality of the core concept. The concept can be easily ported to present
aggressively-scaled-technologies and future technologies.
The goal of this thesis was to improve the surface quality of highly reinforced polymer
composites in order to make these materials applicable to the painted exterior of passenger
cars.
For the evaluation of the application sector of automotive exterior components, a catalogue of
requirements was drawn up from technical specifications, internal standards, and legal
requirements. Components in the horizontal decorative section of the outer skin, like front hood,
boot lid, and roof, have to fulfil the highest optical and structural requirements. A survey of the
automobile market concerning applications of fibre reinforced plastics in the exterior of cars
showed the state of the art and certain tendencies. So far, only non-reinforced, short-fiber- or
random-fiber-reinforced plastics have been able to fulfil the high suriace requirements. Up to
now, high material prices, the lack of mass production concepts, and insufficient suriace quality
have prohibited serial applications of CFRP in the outer skin of passenger cars. Therefore,
different manufacturing technologies for exterior components in composites were examined and
compared in an overview of processes. The process of resin transfer moulding (RTM) was
identified to have great potential for serial production:because of its achievable suriace quality
together with high specific mechanical properties of 1he composites.
The goal of the current research was to find optimized combinations of materials, processes,
and coatings, in order to realize a Class-A suriace quality for CFRP parts in the RTM process.
The main problem with the suriace quality is the print-through of the reinforcement caused by
the inhomogeneous distribution of the reinforcing fibres and the chemical and thermal shrinkage
of the matrix material during processing. In order to periom a systematic investigation of the
composite materials, the process parameters, and surtace treatments, an experimental RTM
tool with a plate cavity was designed and produced in the suriace quality standard of a serial
tool.
Within the material optimization the comparison of five epoxy resins showed that the system 82
was the most promising for further investigations with regard to surface quality and cycle time.
Within the comparison of the fibre reinforcements, the woven fabrics displayed a minor surface
quality compared to the non-woven and non-crimp fabrics. lt was found out that multiaxial
stitched fabrics with optimized placement technique, texturized, multifilament stitching yarns,
and trikot-franse stitching pattern currently provide the best combination of surface quality and
processability, Even better surface results were achieved with non-crimp fabrics that are fixed
by an adhesive to a polyester mesh. However, the difficult processing and infiltration with matrix
material still provide a hurdle to a possible serial application. As a result of the investigation, one
type of randomly oriented cut glass mat with minimal fibre diameter and even fibre distribution
was preferred as a core material to the commonly used continuous strand mats. Within the
great variety of different surface veils, a few types could be identified to offer an effective
reduction of long term waviness (from LW>20 to LW<20) and short term waviness (from SW>35 to SW<15). These selected surface veil types are mechanically or binder fixed and made of
glass or PAN fibres with an areal weight of 50 to so g/m2
.
Statistical methods for the design of experiments and the analysis of the results were used in
the process optimization with the epoxy system 82. After the identification of the main predictors
and responses a D-optimal experimental plan was designed and perfomed. The method of
multiple regression was used to create a process modell which describes the observed system
behaviour and deviation to a very high degree.
It was discovered that high pressures on the liquid matrix system right after injection contribute
to a high surface quality by compensating a great part of the reaction shrinkage. fn order to
achieve high pressures in the cavity exceeding 100 bar, the processing af)d tooling equipment
was modified beyond conventional RTM process capabilites. Optimal settings for vacuum and
temperature difference depend on tool temperature and post pressure levels. The simultaneous
analysis of curing temperature and demoulding time showed that the best surface quality can be
achieved if the part is demoulded from the tool as soon as the saturation T9, depending on the
current tool temperature, is reached. Longer curing times neither increase the T9 of the part nor
do they improve surface quality. From these results a first strategy for high suriace quality can
be derived with a high tool temperature and a short demoulding time. The second strategy with
a !ow tool temperature and a long demoulding time, however, is easier and safer to periom in
terms of process stability.
In order to compare highly reactive thermoset matrix materials and to measure the volume
shrinkage throughout the whole reaction, a novel shrinkage measurement cell, or dilatometer,
was designed. This created the new opportunity to determine the processing shrinkage in its
chemically and thermally induced proportions depending on matrix material, curing temperature,
and time. Because of the good correlation of the laboratory results with the previous RTM
experiments, a high experimental effort for hardware investigations to characterize new epoxy
systems can be saved in the future. Matrix system 82 displayed the lowest shrinkage values in
combination with a high reactivity. It could also be observed that a great proportion of the
reaction shrinkage takes place very quickly after the start of reaction. Therefore, the post
pressure on the matrix system must be applied as early as possible in order to compensate this
shrinkage. Curing at lower temperatures always leads to lower chemical and thermal shrinkage.
In comparison to literature the newly developed method presented in this thesis provides
plausible results with high accuracy, and for the first time also for highly reactive thermoset
systems.
Suriace coatings offer the opportunity to reduce or cover surface structures and defects in order
to achieve a high quality of the painted part surface. The exploration of in-process coatings lead
to thermoplastic films and gel-coats as technologies with a high potential for the improvement of
surface quality. In comparison, epoxy surfacing films and inmould-powder-coatings result in
more effort to adapt the materials and application methods0to the current RTM process. It was
shown that the post-process coating with a plastic paint system contributes to an improvement of the surface quality. In this study different priming coat materials and thicknesses were
identified that cover part of the surface texture with an acceptable structure of the coat itself. In
addition, two surface finishing methods with manual sanding were found to raise the surface
quality of the painted part up to the required standard if required.
The results of the different subsystems materials, RTM-process, and surface coatings can be
combined in different combinations of various emphasis to the overall system of the painted
ATM-part, complying with the requirements of the specific outer skin region.
Short-term solutions for outer skin parts with vertical surfaces {as A-, B-, C-pillars, sills, or rear
side wings) were found and proven with sample plates for the first time. In order to achieve the
high quality required for horizontal exterior components (as front hood, roof, and trunk lid) at the
current state of development, a higher performance of the subsystems is necessary. But even
for this Class-A suriace quality, sample parts could be produced for the first time with high effort
in the ATM-process. At the beginning of this investigation, sample plates produced in RTM
displayed surtace waviness values of LW>35 and strong fibre marking over the whole surtace.
With the combination of optimization results, sample plates with LW<5 could be produced. A
visual evaluation could not determine any regular, oriented surface texture.
The presented work showed solutions in material-process-coating-combinations and
development potential to reach the required Class-A surface quality of automobile exterior parts
with advanced composites. This provides the necessary foundation for further developments
with the aim of a serial application.
The demand for material, energy and weight saving in many industrial fields promotes the use of
novel lightweight construction materials like fibre reinforced plastics (FRP). FRP with
thermoplastic matrices provide a high potential for lightweight construction together with the
possibility of process automation, a good medium resistance, a favourable impact behaviour and
good recyclability. However, the employment of these materials raises joining problems since
usual joining technologies can scarcely be used. Preliminary studies showed that welding
technologies are superior to the conventional joining technologies riveting and adhesive bonding
with regard to the mechanical seam properties.
Therefore, the aim of the present work was the development of plant configurations and process
windows for welding thermoplastic FRP with which a material and component spectrum as big
as possible can be joined economically. The investigated materials were fabric reinforced
thermoplastics (polypropylene, polyamide 12, polyamide 6.6 and polyphenylene sulphide) with
glass fibre and/or carbon fibre reinforcement and fibre volume fractions above 35%.
The evaluation of the existing welding technologies with regard to technological, economical
and ecological aspects showed that vibration welding and induction welding are most suitable to
welding of thermoplastic FRP. Therefore, these two welding technologies were investigated in
detail in the present work.
For vibration welding the parameter influences determined in different works on unreinforced
thermoplastics were confinned qualitatively. However, for the exa1nined fabric reinforced
thermoplastics the process parameters differed quantitatively compared to those for unreinforced
thermoplastics. The optimum welding pressure as well as the necessary welding time were three
times that for unreinforced thermoplastics. Despite the abrasion of the reinforcing fibres due to
the friction forces, a very good tensile shear strength was achieved. For a glass-fibre fabric
reinforced polyamide 12, for example, a weld factor of l was achieved. A process-controlled
welding pressure reduction during the vibration phase 3, which was proposed for unreinforced
thermoplastics, was integrated into a developed system controller programme. In this the melt
displacement course is analysed online and the pressure is reduced automatically. For T-profiles
with welded braces of glass-fibre reinforced polypropylene this procedure led to an essential
strength and rigidity increase. However, for single lap joints of FRP no strength increase could
be observed. As technological and economical alternative to the vibration welding technology, a continuous
induction welding process was developed, the necessary plant was built and the process was
analysed and modelled. Current flow in the laminate was identified as the dominant mechanism
of induction heating of carbon-fibre fabric reinforced plastics, due to the contact of the crossing
fibre bundles. The essential quality relevant feature of the developed process is the course of the
laminate temperature during the four process phases. This was analysed and the influencing
process parameters were determined and quantified.
A simple model based on fibre contact in the laminate was developed, with which the necessary
induction heating time for different lmninate structures was estimated. The differing fibre contact
areas in the different fabrics were considered by the introduction of a fabric factor. In order to
obtain a more exact determination of the temperature distribution in the laminate a finite element
model was developed. With this model the temperature distribution and the absolute temperature
in carbon-fibre reinforced laminates during induction heating were predicted. It was sufficient to
model the inhomogeneous laminate in a simplified manner as monolithic material with anisotropic
properties. The three cooling phases were modelled with Fourier's law of thermal conduction
in its three-dimensional form, which was solved with the Binder-Schmidt explicit method.
The difference between measured and calculated values was less than IO %. With the developed
models it is possible to determine optimum process parameters with the aid of a few easy
preliminary experiments.
Like for vibration welding optimum process windows for carbon-fibre and glass-fibre reinforced
thermoplastics were developed for induction welding, too. The achieved tensile shear strength of
induction welded single lap joints was only slightly lower than that of vibration welded
specimens concerning equivalent laminates.
Finally, the developed welding technologies were compared with each other regarding technological
and economical aspects. It was found that vibration and induction welding complement
each other very well. Vibration welding should be used for mass production and simple shaped
parts with small to medium sizes, while induction welding is more suitable for small series of
parts with almost any shape and size.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden neue effiziente Katalysatorsysteme für nachhaltige Transformationen entwickelt. Im ersten Projekt meiner Doktorarbeit wurde ein neuer und nachhaltiger Weg zur Synthese von 1,4-Butandiol aus Acetylen und CO2 entwickelt. Mit einer anorganischen Base und Kupferiodid als Katalysator konnte Acetylen mit einer TON von 90 zum Dikaliumacetylendicarboxylat umgesetzt werden. Die anschließende Hydrierung der Dreifachbindung gelang in quantitativen Ausbeuten. Der entscheidende Schritt war nun die direkte Veresterung des Kaliumsuccinats mit Methanol zum Dimethylsuccinat, da eine direkte Hydrierung des Kaliumsuccinats zum entsprechenden Alkohol thermodynamisch nicht möglich ist. Hierzu wurde die Reaktionslösung mit CO2-Druck begast und somit die notwendige Acidität für die Veresterung mit Methanol erzielt. Eine anschließende Hydrierung des Esters zum 1,4-Butandiol wurde in sehr guten Ausbeuten erreicht. Somit wurde erstmals eine Methode für die Synthese der wichtigen Basischemikalie 1,4-Butandiol aus Acetylen und CO2 ermöglicht. Im zweiten Teilprojekt dieser Arbeit wurde ein neuer nachhaltiger Zugang zu biologisch aktiven (E)-β-Alkoxyacrylaten ermöglicht. Hierbei wurde eine metallfreie, basenkatalysierte Carboxylierung mit anschließender Alkoxylierung terminaler Alkine mittels einfacher Dialkylcarbonate entwickelt. Für aromatische Substrate konnte mit Hilfe katalytischer Mengen Kaliummethoxid die entsprechenden Acrylate schon bei Raumtemperatur erzielt werden. Aliphatische Alkine wurde mit der stärkere Base Kalium-tert-butoxid in äquivalenten Mengen bei 90°C erfolgreich umgesetzt. Die Atomökonomie für diese Reaktion beträgt optimale 100 %. Im dritten Teilprojekt dieser Doktorarbeit wurde eine selektive Hydrierung von Fettsäuren, Fettsäureestern und Triglyceriden in Gegenwart von Alkoholen zu den entsprechenden unsymmetrischen Ethern entwickelt. Somit gelang es uns einen neuen, nachhaltigen Zugang zu langkettigen unsymmetrischen Alkylethern aus nachwachsenden Rohstoffen zu erzielen. Diese haben aufgrund ihres niedrigen Schmelzpunktes und der geringen Viskosität eine hohe Anwendungsbreite in Schmiermitteln, Tensiden und Kosmetika. Mit diesem Protokoll konnten sowohl Fettsäuren als auch Ester in reiner Form oder auch in Mischungen umgesetzt werden. Auch Triglyceride aus Rapsöl wurden erfolgreich ohne weitere Aufreinigung umgesetzt. Im letzten Teilprojekt erfolgte die Entwicklung einer Einschritt Sandmeyer-analogen Trifluormethylierung und Trifluormethylthiolierung. Hierbei werden Diazoniumsalze in situ aus den Anilinen generiert und anschließend direkt mit dem in situ generierten Cu-CF3 aus dem Ruppert-Prakash-Reagens und CuSCN umgesetzt. Aus dem Reaktiosgemisch werden die entsprechenden Benzotrifluoride gebildet und als einziges Nebenprodukt wird Stickstoff freigesetzt. Wird zu der Reaktionsmischung zusätzlich NaSCN als Schwefelquelle hinzugegeben werden hierbei die entsprechenden Trifluormethylthiolverbindungen erhalten.
CpC ist ein metallorganischer Ligand vom Cyclopentadienid-Typ aus einem Cyclopentadienidkern mit zwei anellierten Dibenzocycloheptenen. Er ist durch Deprotonierung der Ligandvorstufe CpCH mit starken Basen, wie n-Butyllithium zugänglich. Aufgrund der verdrillten siebengliedrigen Ringe und daraus resultierenden helicalen Struktur stellt CpC einen neuartigen, intrinsisch chiralen Cyclopentadienidligand dar, bei dem das Chiralitätselement Bestandteil des Cyclopentadienidrings ist. Die Ligandvorstufe CpCH wird ausgehend von Dibenzosuberenon in fünfstufiger Reaktionsfolge synthetisiert. NMR-Spektroskopie sowie DFT-Rechnungen zufolge verläuft der Racemisierungsprozess dieses Liganden bei Raumtemperatur langsam, so dass sein Einsatz in der enantioselektiven Synthese oder Katalyse denkbar ist. Darüberhinaus kann sich das im Vergleich zu 7H-Dibenzo[c,g]fluorenid nicht vollständig konjugierte π-System positiv auf Koordinationsvermögen auswirken. Diese Annahme wurde durch Ergebnisse von Komplexierungsversuchen untermauert.
Durch Umsetzung von zwei Äquivalenten CpCLi, das in situ mit n-Butyllithium generiert wird, sind das homoleptische Ferrocen (η5-CpC)2Fe und der gemischte Sandwichkomplex (η5-CpC)Fe(η5-4Cp) (4Cp = 1,2,3,4-Tetraisopropylcyclopentadienid) zugänglich. Elektrochemische Untersuchungen von (η5-CpC)Fe(η5-4Cp) ergaben, dass diese Verbindung erwartungsgemäß leichter oxidierbar ist als Ferrocen. Weiterhin wurde der Halbsandwichkomplex (η5-CpC)Ti(OiPr)3 synthetisiert und dessen Reaktivität gegenüber Me3SiI, die zur Bildung von (η5-CpC)TiI2(OiPr) führt, untersucht. Beide Komplexe wurden mittels Röntgenstrukturanalyse charakterisiert. Umsetzung von CpCLi mit TiCl4 dagegen führte zur oxidativen Kupplung des Liganden unter Bildung von (CpC)2. Analoge Umsetzungen mit Vorstufen anderer Metalle ergaben Halbsandwichkomplexe des Mangans (η5-CpC)Mn(CO)3, des Rhodiums (η5-CpC)Rh(COD) und Iridiums (η5-CpC)Ir(COD), die ebenfalls strukturell charakterisiert werden konnten. Bei der Synthese des Rutheniumkomplexes (η5-CpC)Ru(C6H6)Cl trat unter bestimmten Reaktionsbedingungen OCpC als Nebenprodukt auf, das sich ebenfalls quantitativ durch Umsetzung von CpCTl mit Luftsauerstoff darstellen lässt.
Carbon-fibre reinforced plastics have been widely used in the aerospace industry as
materials for structural components. During recent years, the focus has been on
preform/RTM materials with the aim of improving material properties and reducing
costs. Harnessing the full potential of these materials requires a model for assessing
the properties and in particular long-term behaviour. Such a model needs to take into
account the special conditions of these materials. Basic failure mechanisms have to
be analysed in order to develop this kind of model.
Consequently, the aim of the work was to investigate the fatigue phenomenon in
preform-CFRP materials with thermoset matrices on a microstructural level. The
influence of the dynamic loading and the temperature on the emerging fracture
phenomena should be identified. Based on the results, a common fracture mechanism
should be found. The failure should be described on a mesoscopic level so that
it is not restricted on the fatigue failure at a single crack front.
To achieve this aim, different preform materials with EP matrix (some of which had
been subjected to impact) were loaded with dynamic compression load and high
frequent alternate bending. The fatigue behaviour of the matrix systems was investigated
by CT tests.
By means of microfractography, the only method for detecting fatigue failure as such,
the failure mechanisms were analysed at submicroscopic level. The results showed
correlations between microstructure and failure.
It became apparent that what in the technical literature has been given as an explanation
for the appearance of the fatigue striations in the scanning electron microscope
had to be corrected. As undercuts are not reflected in the SEM as dark striations,
the appearance of the striations must be based on different inclinations of the
local fractured surface to the primary electron beam.
On the basis of this result the shape and the formation of the fatigue striations could
be shown in resin pockets and fibre imprints. Fatigue striations have a shape which
sticks out from the fracture plane, preferably in the form of steps.
There was no proof for an influence of the high frequent load on the formation of
fatigue striations. However, it was possible to find lamellar fracture phenomena which
have not been described in the technical literature yet. Due to their shape and their occurrence these can be understood rather as a sign of a dynamic load then as a
fracture phenomenon of a high frequent cyclic loading.
The examinations of the high frequent loaded samples, where temperatures up to
120°C occurred, as well as in the CT tests with elevated temperatures (60% Tg)
yielded no proof that the temperature has an influence on the mechanical failure
behaviour. However, the formation of the fatigue striations in high frequent loaded
specimens leads to the deduction that adiabatic heating exists at the crack tip which
leads to large plastic deformations because the glass transition temperature is exceeded
locally.
The microfractographic investigations showed that the fatigue striations appear as
separate static fractures. On account of their shape and in relation to the matching
fracture surfaces plastic processes can be held responsible for the formation of the
striations. Altogether this leads to a modification of the models for the origin of fatigue
striations prevalent in the technical literature. The suggested model associates the
real fracture growth under fatigue loading only with a small part of the loading cycle.
Crack propagation only occurs when the maximum stress intensity is reached in the
area of the upper loading of the cycle. Microplastic processes by molecular rearrangement
in the stress field ahead of the crack tip lead to the blunting of the crack
tip, which is reflected as fatigue striations on the fracture surface. Simultaneously, the
cyclic loading causes damages in the molecular network of the thermoset. This leads
to the possibility of fracture formation below the static stress at break.
On the basis of the model and of fatigue crack growth diagrams it is possible to
establish thresholds for the stress intensity necessary for crack propagation under
cyclic load. The upper threshold of the stress intensity corresponds to KC, because it
marks the transition to unstable crack growth. The lower threshold is determined by
the value of the cyclic stress intensity factor where crack growth has just ceased to
be ascertainable.
With the existing model of local crack growth under fatigue loading and the results of
the chronological course of failure from the microfractographic investigations of the
different materials it was possible to detect a general failure mechanism for the
preform-CFRP materials.
When an external alternating load is applied, an inhomogeneous stress field forms in
the composite material. In areas stressed within the growth stress, fatigue growth occurs in the form of secondary fractures within the matrix. The primary crack front
runs along these damaged points in the material until global failure occurs. This leads
to a discontinuous, stepwise failure expiration under fatigue loading. This general
mechanism permits assessment of the damage behaviour and the progression of
failure in various types of fibre reinforcement.
Energieeffizientere Konstruktionen insbesondere in der Automobilindustrie und bei
deren Zulieferern erfordern die Substitution schwerer Bauteile aus Stahl und anderen
metallischen Werkstoffen durch entsprechende Leichtbauvarianten aus Kunst- bzw.
Verbundwerkstoffen. Dieser Trend setzt sich nach der erfolgreichen Einführung von
Kunststoffbauteilen im Innenraum von Automobilen auch vermehrt bei sicherheitsrelevanten
Konstruktionen z.B. im Motorraum durch. Um die hohen Anforderungen an
die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien erfüllen zu können,
werden überwiegend Faserverbundwerkstoffe eingesetzt. Da im Rahmen der Bauteilentwicklung
der Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) mittlerweile zum
Stand der Technik gehört, müssen auch für Faserverbundwerkstoffe die entsprechenden
Materialmodelle auf ihre Anwendbarkeit hin überprüft und gegebenenfalls
weiter oder neu entwickelt werden.
In dieser Arbeit wird ein Versuchs- und Auswertekonzept zur Bestimmung der mechanischen
Materialkennwerte von langglasfaserverstärktem Polypropylen (PP-LGF)
vorgestellt und validiert. Es wird orthotrop visko-elasto-plastisches Materialverhalten
des Verbundes angenommen. Zur Ermittlung der Datensätze für die FE-Simulation
werden Zug- und Schubversuche bei fünf unterschiedlichen Abzugsgeschwindigkeiten
von quasistatisch bis 10 m/s durchgeführt. Dabei werden mit Hilfe der Grauwertkorrelationsanalyse
berührungslos Dehnungsfelder auf der Oberfläche der Probekörper
erfasst und später mit Kraft-Zeit-Daten zu Spannungs-Dehnungs-Kurven verrechnet.
Das orthotrope Materialverhalten von PP-LGF wird berücksichtigt, indem
sowohl Zugversuche an Probekörpern mit vorwiegend in Zugrichtung als auch an
solchen mit überwiegend quer dazu orientierten Fasern ausgewertet werden.
Die Dehnratenabhängigkeit des Materials wird über einen visko-elasto-plastischen
Ansatz in 1D getrennt für zwei Zugbelastungsrichtungen mathematisch beschrieben
und die Parameter über einen Least-Square-Fit unter Verwendung des Levenberg-
Marquardt-Verfahrens bestimmt. Im Rahmen eines Vergleichs experimentell ermittelter
Verschiebungs- und Dehnungsfelder einer gelochten Zugprobe mit den Ergebnissen
einer korrespondierenden FE-Simulation wird ein orthotrop elasto-plastischer
Simulationsansatz in 3D validiert. Dabei wird eine Formulierung nach HILL für orthotropes
Fließen berücksichtigt. Am Ende der Arbeit wird gezeigt, inwieweit das erfolgreich
validierte Modell auf eine komplexere Bauteilgeometrie übertragen werden
kann. Es wird deutlich, dass bei sehr komplexen Geometrien die Qualität der Simulationsergebnisse
nicht nur vom verwendeten Materialmodell und der Güte der Materialparameter
abhängt, sondern zunehmend von der Qualität einer der FEM vorgeschalteten
Füllanalyse.
Einfluss verschiedener Angussszenarien auf den Harzinjektionsprozess und dessen simulative Abbildung
(2014)
Die Herstellung von hochleistungs Kunststoff Verbunden für Strukturbauteile erfolgt
in der Automobilindustrie mittels Resin Transfer Molding (RTM), wobei die Kosten für
die Bauteile sehr hoch sind. Die Kosten müssen durch Prozessoptimierungen deutlich
reduziert werden, um eine breite Anwendung von faserverstärkten Kunststoff
Verbunde zu ermöglichen. Prozesssimulationen spielen hierbei eine entscheidende
Rolle, da zeitaufwendige und kostspielige Praxisversuche ersetzt werden können.
Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit die Potentiale der simulativen Abbbildung
des RTM-Prozesses untersucht. Basis der Simulationen bildete eine umfangreiche
Materialparameterstudie bei der die Permeabilität, von für die Automobilindustrie relevanten
Textilhalbzeugen im ungescherten und gescherten Zustand, untersucht
wurde. Somit konnte der Einfluss von Drapierung bei der Fließsimulation evaluiert
werden. Zudem wurde eine neue Methode zur Ermittlung der zeit-, vernetzungs- und
temperaturabhängigen Viskositätsverläufe von hochreaktiven Harzsystemen entwickelt
und angewendet. Die Fließsimulationsmethode wurde zunächst erfolgreich an
einem ebenen Plattenwerkzeug validiert, um zu zeigen, dass die ermittelten Materialparameter
korrekt bestimmt wurden.
Zur Validierung der Simulation wurde ein komplexes Technologieträgerwerkzeug
(TTW) entwickelt. Die Auslegung der Temperierung wurde mittels Temperiersimulationen
unterstützt. Untersuchungen an markanten Kantenbereichen, wie sie bei Automobilbauteilen
häufig auftreten, haben gezeigt, dass bei Kantenradien < 5 mm ein
Voreilen des Harzsystem zu beachten ist. Zudem konnte mittels verschiedener Angussleisten,
der Einfluss verschiedener Angussszenarien untersucht werden.
Mit Hilfe von Sensoren im TTW wurden die Prozessdaten protokolliert und anschließend
mit den Simulationen verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die simulative
Abbildung des Füllprozesses bei einem komplexen RTM-Werkzeug, trotz einer Vielzahl
an Prozesseinflüssen, möglich ist. Die Abweichungen zwischen der Simulation
und dem Versuch lagen teilweise unter 15 %. Die Belastbarkeit der ermittelten Permeabilitäts-
und Viskositätswerte wurde dadurch nochmals bestätigt. Zudem zeigte
sich, dass die Angussleistenlänge einen signifikanten Einfluss auf die Prozesszeit
hat, wohingegen der Angussleistenquerschnitt eine untergeordnete Rolle spielt.
Bei der Herstellung hochbelasteter Strukturbauteile aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) wird verbreitet auf textile Halbzeuge wie Gewebe oder vernähte Biaxial-Gelege zurückgegrif-fen. Diese Halbzeuge zeigen im Verbund mit Kunststoffen periodische out-of-plane Roving-welligkeiten. Die Größe der Welligkeiten hängt unter anderem von den Fertigungsparametern der trockenen Halbzeuge ab. Durch das Verständnis der effektiven Kausalitäten zwischen Rovingwelligkeiten und mechanischem Verhalten soll eine bessere rechnerische Abschätzung der Materialkennwerte erzielt werden.
In dieser Arbeit wurde unter anderem der Einfluss der Welligkeitsparameter Amplitude und Wellenlänge auf die faserparallelen Kennwerte an unidirektional verstärkten Proben unter-sucht. Dafür wurden gezielt unterschiedliche Amplituden und Wellenlängen mit Hilfe von unidirektionalen Geweben in die Probekörper eingebracht. Der Einfluss der Rovingwelligkei-ten auf die Steifigkeiten war kleiner als auf die Festigkeiten. Bei Letzten war zu beobachten, dass die Druckfestigkeiten mehr von den Ondulationen beeinflusst wurden als die Zugfestig-keiten. Außerdem wurden die Welligkeiten und die mechanischen Kennwerte von textilen FKV-Geweben und -Gelegen bestimmt. Bei der Auswahl der untersuchten Halbzeuge war ein wichtiges Kriterium, dass diese auch in der Praxis Anwendung finden.
Im nächsten Schritt wurde ein vereinfachtes Finite-Elemente-Welligkeitsmodell entwickelt, welches es ermöglicht, die faserparallelen Kennwerte ohne zeit- und kostenintensive Materi-alversuche zu bestimmen. Speziell für Gewebe-Materialien mit großen Rovingwelligkeiten ist dieses Modell in der Lage, deutlich bessere Abschätzungen als vorhandene Methoden zu ge-ben. Weiterhin wurde auf dieser Basis ein Regressionsmodell für unidirektional verstärkte Materialien abgeleitet, welches auch dem Konstrukteur ohne Erfahrungen im Umgang mit Finiten-Elemente-Programmen die Anwendung des Welligkeitsmodells ermöglicht.
Der Vorteil des entwickelten Welligkeitsmodells wurde in einem dreistufigen Validierungs-programm nachgewiesen. Dieses beinhaltet den Übergang auf multidirektionale Laminate sowie komplexere Bauteilgeometrien. Die verbesserte Prognose mit Hilfe des Welligkeitsmo-dells zeigte sich vor allem bei Materialien mit großen Rovingwelligkeiten und bei Bauteilen die aufgrund eines Faserbruchs durch eine Druckbelastung versagten.
Nanoparticle-Filled Thermoplastics and Thermoplastic Elastomer: Structure-Property Relationships
(2012)
The present work focuses on the structure-property relationships of
particulate-filled thermoplastics and thermoplastic elastomer (TPE). In this work
two thermoplastics and one TPE were used as polymer matrices, i.e. amorphous
bisphenol-A polycarbonate (PC), semi-crystalline isotactic polypropylene (iPP),
and a block copolymer poly(butylene terephthalate)-block-poly(tetramethylene
glycol) TPE(PBT-PTMG). For PC, a selected type of various Aerosil® nano-SiO2
types was used as filler to improve the thermal and mechanical properties by
maintaining the transparency of PC matrix. Different types of SiO2 and TiO2
nanoparticles with different surface polarity were used for iPP. The goal was to
examine the influence of surface polarity and chemical nature of nanoparticles on
the thermal, mechanical and morphological properties of iPP composites. For
TPE(PBT-PTMG), three TiO2 particles were used, i.e. one grade with hydroxyl
groups on the particle surface and the other two grades are surface-modified with
metal and metal oxides, respectively. The influence of primary size and dispersion
quality of TiO2 particles on the properties of TPE(PBT-PTMG)/TiO2 composites
were determined and discussed.
All polymer composites were produced by direct melt blending in a twin-screw
extruder via masterbatch technique. The dispersion of particles was examined by
using scanning electron microscopy (SEM) and micro-computerized tomography
(μCT). The thermal and crystalline properties of polymer composites were characterized by using thermogravimetric analysis (TGA) and differential
scanning calorimetry (DSC). The mechanical and thermomechanical properties
were determined by using mechanical tensile testing, compact tension and
Charpy impact as well as dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA).
The SEM results show that the unpolar-surface modified nanoparticles are better
dispersed in polymer matrices as iPP than polar-surface nanoparticles, especially
in case of using Aeroxide® TiO2 nanoparticles. The Aeroxide® TiO2 nanoparticles
with a polar surface due to Ti-OH groups result in a very high degree of
agglomeration in both iPP and TPE matrices because of strong van der Waals
interactions among particles (hydrogen bonding). Compared to unmodified
Aeroxide® TiO2 nanoparticles, the other grades of surface modified TiO2 particles
are very homogenously dispersed in used iPP and TPE(PBT-PTMG). The
incorporation of SiO2 nanoparticles into bisphenol-A PC significantly increases
the mechanical properties of PC/SiO2 nanocomposites, particularly the resistance
against environmental stress crazing (ESC). However, the transparency of
PC/SiO2 nanocomposites decreases with increasing nanoparticle content and
size due to a mismatch of infractive indices of PC and SiO2 particles. The different
surface polarity of nanoparticles in iPP shows evident influence on properties of
iPP composites. Among iPP/SiO2 nanocomposites, the nanocomposite
containing SiO2 nanoparticles with a higher degree of hydrophobicity shows
improved fracture and impact toughness compared to the other iPP/SiO2
composites. The TPE(PBT-PTMG)/TiO2 composites show much better thermal and mechanical properties than neat TPE(PBT-PTMG) due to strong chemical
interactions between polymer matrix and TiO2 particles. In addition, better
dispersion quality of TiO2 particles in used TPE(PBT-PTMG) leads to dramatically
improved mechanical properties of TPE(PBT-PTMG)/TiO2 composites.
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.
Ausgelöst durch gestiegene Leichtbauanforderungen kommen im Automobilbau vermehrt
Verbund- und Hybridbauweisen zum Einsatz. Verschiedene Materialien werden
gemäß den jeweiligen spezifischen Anforderungen einzelner Bauteile bzw. Baugruppen
ausgewählt, um ihr Potential bezogen auf das Gewicht und die (mechanische)
Funktionalität optimal auszuschöpfen. Hierbei kann auch bei Großserienanwendungen
neben der klassischen Blechschalenbauweise der Einsatz von Kunststoffen
und Faserverbundwerkstoffen zielführend sein. Allerdings sind entwicklungsspezifische
Besonderheiten zur funktionalen Absicherung bzw. Auslegung derartiger
Konzepte zu bewältigen. Dabei sind sowohl die Anforderungen an die Steifigkeit und
die (Betriebs-)Festigkeit als auch die Vorgaben an die passive Sicherheit maßgebend.
Bauteile aus kurzfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen, die im
Spritzgussverfahren hergestellt werden, stellen hier eine besondere Herausforderung
dar. Das mechanische Verhalten ist von zahlreichen Faktoren wie lokal unterschiedlichen
Faserorientierungen, viskosen Effekten und Umgebungseinflüssen
abhängig.
Um Zeit und Kosten zu sparen, ist im heutigen Produktentwicklungsprozess von
Fahrzeugen bzw. bei der Auslegung der einzelnen Bauteile die Berechnung aller
relevanten Lastfälle mittels numerischer Simulationen unumgänglich. Die Weiterentwicklung
der Methoden und Modelle zur Simulation von Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen
sind in den letzten Jahren verstärkt durch verschiedene
Forschungsprojekte vorangetrieben worden. Dabei spielt auch die einhergehende
Charakterisierung der Werkstoffe eine tragende Rolle. Ziel dieser Arbeit ist, die
verfügbaren Methoden zur Berechnung und Charakterisierung von Spritzgussbauteilen
aus kurzfaserverstärkten Kunststoffen aufzuzeigen, weiterzuentwickeln und
anhand wissenschaftlicher Experimente zu validieren. Hierbei werden quasi-statische
und crashrelevante Versuche mit verschiedenen Probekörpern durchgeführt und
analytisch weiterverarbeitet. Im Anschluss werden diese zum Aufbau ausgewählter
Rechenmodelle eines expliziten FE-Solvers genutzt. Angewendet werden dabei
sowohl rein phänomenologische als auch integrative mikromechanische Simulationsmethoden
mit isotropen und anisotropen elasto-plastischen bzw. elasto-viskoplastischen
Ansätzen.
Ökonomische Prozessanalyse und Modellintegration zur Kostenberechnung von Faser-Kunststoff-Verbunden
(2006)
The introduction to the topic is a description of the techno-economic evolution of
composites. Apart from this, today’s market state of the art of composites is also explained.
As a conclusion, the principal trend towards the higher quality by the increased
application of carbon fibers is ascertained. In particular, it is pointed out that
the restraints of the market growth are mainly caused by the high price, most notably,
of the fiber materials. This situation, in connection with the maturation of the composite
manufacturing processes, demands the need of a cost calculation tool.
In the second step, former composite cost models and their implementations into
software – if available – are described and benchmarked. As a result it is proposed to
combine, different approaches because of their fundamental potential as well as the
deficits. It is suggested to use a resource-based methodology combined with the
PBKM (prozessbasierte Kostenmodellierung = process-based cost modelling) and to
implement the models in a cost calculation software.
The first aim is an economic process analysis which is carried out to receive an abstract
and modular system. Thereby, it is possible to describe the production processes
by successive refinement more and more detailed. The process is divided in
multiple steps which are itself subdivided in technical activities or handlings. The
relevant cost objects with the identifiable cost positions are assigned to those handlings.
This approach assures modularity and offers the possibility of an easy software
implementation. In addition, the functionality of this methodology is demonstrated
considering the two examples “thermoplastic tape placement” and “continuous
pressing”. For that reason these composite manufacturing techniques are analyzed
and the structure is mapped within the use of suggested methodology.
The next topic deals with the modelling of the cycle time for the thermoplastic tape
placement with the use of the PBKM. Within this methodology the derivation of the
cycle time depends only on physical process parameters, which results in a geometrical
complexity based model. The developed model is verified by comparing of the
theoretically derived values with practical experiments. Along with this, the assumptions
for this model are revised and verified. As a technical enhancement of the tape
placement process, different designs of a geometry-adaptive consolidation role are introduced. This technical extension of the process technology is necessary for the
final verification of the model. The new consolidation unit enables to move all geometrical
degrees of freedom and complexities with the same laminate quality. Finally,
a possibility to transfer the methodology of the PBKM to other technologies is proved.
Therefore, it is offered a modus operandi how the continuous pressing technique can
be modelled with the help of the PBKM.
The last chapter deals with the cost calculation tool concerning the structural configuration,
design, and functionality of the software. It is the consequential synthesis of
the results of the economic process analysis and the cycle time models. The practicability
of the modularity is proved by its application in the design phase of the software
and by the integration of the modelling into the tool. The developed cost calculation
software for composite manufacturing processes offers a standardization of the
inputs and calculation algorithms by the use of introduced process analysis, the subdivision
into smallest units. The cycle time calculation models are process specific
know-how which can easily be used unlike an expert's system. The separation of the
single functional entities assures a stringent data management, possibilities for the
advancement, and furthermore, the variableness of representation and reuse of the
derived data. The functionality of the cost tool concerning evaluations and comparisons
are pointed out with two case studies. Plus, the postulated transferability of the
methodology on other composite technologies is demonstrated. The main advantage
of this system is that the modelling offers economical statements of different process
variations without experimentation. Besides, the values ascertained by the PBKM are
more precise compared to other existing models. Therefore, the PBKM can be the
basis for investment decisions like technology change or modifications and helps to
identify techno-economic limitations and potentials.
This version of the cost calculation software offers only the standard repertoire of
cost evaluations and comparisons which turn out to be upgradeable. Thus, there exists
potential to enhance the functionality concerning sensitivity analyses, the integration
of cycle time models for other composite processing technologies, and further
possibilities for the graphic processing. As a conclusion the software with the combination
of different attempts offers a good starting position with respect to the current
evolution status and should be extended.
Die Preformmontage ist ein zentrales Element moderner Prozessketten zur effizien-ten Herstellung von CFK-Komponenten integraler Bauweise. Ihre technologische Darstellung mittels der Ultraschall-Schweißtechnologie erschließt neue Potentiale für die binderbasierte Preform-Prozesskette bezüglich der Reduzierung von Prozesszeit und Energieverbrauch, der Steigerung des Automatisierungsgrades und der Verar-beitung komplexer Geometrien unter Einsatz von Hochtemperatur-Bindersystemen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Ultraschall-Schweißtechnologie zur Montage bebinderter Preforms auf Basis grundlegender Untersuchungen entwickelt und anlagentechnisch umgesetzt. Studien der Wirkmechanismen des Prozesses zur Wärmeerzeugung und Laminatkompaktierung wurden durchgeführt. Die Gewichtung und Interaktion der Prozessparameter wurde mittels statistisch geplanter Versuche ermittelt und die mechanischen Eigenschaften verschweißter Laminate wurden ge-messen. Das aufgrund von Randeffekten stark ausgebildete Temperaturprofil im Pre-formlaminat wurde messtechnisch erfasst und rechnerisch modelliert. Die Studien bildeten die Grundlage zur Umsetzung eines robotergestützten, parameterüberwach-ten Ultraschall-Endeffektors.
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.
In recent years the field of polymer tribology experienced a tremendous development
leading to an increased demand for highly sophisticated in-situ measurement methods.
Therefore, advanced measurement techniques were developed and established
in this study. Innovative approaches based on dynamic thermocouple, resistive electrical
conductivity, and confocal distance measurement methods were developed in
order to in-situ characterize both the temperature at sliding interfaces and real contact
area, and furthermore the thickness of transfer films. Although dynamic thermocouple
and real contact area measurement techniques were already used in similar
applications for metallic sliding pairs, comprehensive modifications were necessary to
meet the specific demands and characteristics of polymers and composites since
they have significantly different thermal conductivities and contact kinematics. By using
tribologically optimized PEEK compounds as reference a new measurement and
calculation model for the dynamic thermocouple method was set up. This method
allows the determination of hot spot temperatures for PEEK compounds, and it was
found that they can reach up to 1000 °C in case of short carbon fibers present in the
polymer. With regard to the non-isotropic characteristics of the polymer compound,
the contact situation between short carbon fibers and steel counterbody could be
successfully monitored by applying a resistive measurement method for the real contact
area determination. Temperature compensation approaches were investigated
for the transfer film layer thickness determination, resulting in in-situ measurements
with a resolution of ~0.1 μm. In addition to a successful implementation of the measurement
systems, failure mechanism processes were clarified for the PEEK compound
used. For the first time in polymer tribology the behavior of the most interesting
system parameters could be monitored simultaneously under increasing load
conditions. It showed an increasing friction coefficient, wear rate, transfer film layer
thickness, and specimen overall temperature when frictional energy exceeded the
thermal transport capabilities of the specimen. In contrast, the real contact area between
short carbon fibers and steel decreased due to the separation effect caused by
the transfer film layer. Since the sliding contact was more and more matrix dominated,
the hot spot temperatures on the fibers dropped, too. The results of this failure
mechanism investigation already demonstrate the opportunities which the new
measurement techniques provide for a deeper understanding of tribological processes,
enabling improvements in material composition and application design.
Das Fügen von Faserverbunden und Metallen durch Induktionsschweißen ist ein
neuartiges Verfahren, das im Rahmen einer DFG-Forschergruppe entwickelt wurde.
In dieser Arbeit werden auf solche Weise hergestellte Fügungen zwischen einer
Aluminiumlegierung (AlMg3) und CFK (kohlenstofffaserverstärktes Polyamid)
experimentell und simulativ untersucht. Detaillierte Kenntnisse über das mechanische
Verhalten und den Einfluss der Prüfgeschwindigkeit und der Temperatur darauf
sind für einen späteren Einsatz der Fügetechnik bei der Verbindung von Bauteilen
wichtig. Die begleitend durchgeführten Simulationen auf Basis der Finiten Elemente
(FE) ermöglichen einen Blick in das Innere der Fügezone und stellen nach der
Validierung mit Hilfe der Experimente eine Erweiterung der Messtechnik dar. Besondere
Anforderungen an die Messtechnik entstehen bei diesen Untersuchungen aus
den geringen Abmessungen des Fügebereiches. Ergänzend durchgeführte makroskopische
und mikroskopische (Rasterelektronenmikroskop) Bruchflächenanalysen
untermauern die Schlüsse und Erläuterungen aus den experimentellen und simulativen
Untersuchungen.
Abgeleitet von kritischen Lastfällen wird das mechanische Verhalten an Grundlagenexperimenten
in Quer-Druck- und Schubversuchen untersucht und simuliert. Für die
globale und lokale Verschiebungsanalyse, die eine detaillierte Versuchsauswertung
und einen Abgleich mit den Simulationen ermöglicht, wird das Grauwertkorrelationsverfahren
eingesetzt. Die wichtigsten experimentellen Ergebnisse sind:
Bei den Quer-Druck-Versuchen kommt es zu einer normalspannungsdominierten
Schälbelastung in der Fügezone mit einem konstant wachsenden Riss. Die Temperaturvariationen
im Bereich von -30 °C und 80 °C haben fast keinen Einfluss auf das
mechanische Verhalten. Die Prüfgeschwindigkeitsvariationen im Bereich von
0,03 mm/s bis 1500 mm/s zeigen bei steigenden Prüfgeschwindigkeiten einen
deutlichen Anstieg der maximalen Kräfte und Verschiebungen. In den Versuchen ist
ein adhäsiver Versagensmode zu beobachten. Eine Ausnahme bilden die Versuche
bei höheren Prüfgeschwindigkeiten, bei denen ein grenzschichtnahes Versagen in
der Fügezone auftritt.
In den Schubversuchen kommt es zu einem stärker mehrachsialen Spannungszustand
in der Fügezone, der von Schub- und Normalzugspannungen dominiert wird. Die erreichten Kräfte liegen deutlich über denen der Quer-Druck-Versuche. Dieses
Kraftniveau ist kaum beeinflusst von den Temperaturvariationen zwischen -30 °C und
80 °C. Die Prüfgeschwindigkeitssteigerungen bis zu 1500 mm/s haben einen signifikanten
Einfluss auf die Kräfte und besonders auf die maximalen Verformungen. Die
Bruchflächen sind in den meisten Versuchen adhäsiv dominiert. Bei Temperaturen
von -30°C und Prüfgeschwindigkeiten von 500 mm/s und 1500 mm/s bilden sich
hingegen Bereiche mit grenzschichtnahem Versagen und köhasiven Anteilen. Die
REM-Untersuchungen der Bruchbilder zeigen, dass mechanisches Interlocking einen
maßgeblichen Beitrag zur Haftung zwischen Polyamid und Aluminium leistet.
Die Simulationen wurden mit Hilfe der globalen und lokalen Verschiebungszustände
in den Grundlagen- und zusätzlich durchgeführten Versuchen validiert und zeigen
eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten. Die Spannungszustände im
Inneren der Fügezone sind wegen der unterschiedlichen Fügewerkstoffe und Steifigkeiten
unsymmetrisch und stark inhomogen. Es bilden sich in allen simulierten
Versuchen am Rand Spannungsspitzen, die zum Versagen führen, während in der
Fügezonenmitte ein niedriges Spannungsniveau vorherrscht. Mit wachsendem Riss
steigen die Spannungen im Inneren der Restfügezone in geringem Maße, bis es zur
vollständigen Trennung des AlMg3- und des CFK-Fügeteils kommt. Eine Parameterstudie
mit dem validierten Simulationsmodell der Schweißung zeigt, wie eine erhöhte
Dicke des AlMg3-Fügeteils oder ein Anstieg der CFK-Steifigkeit zu einer günstigeren
Spannungsverteilung in der Fügezone und so zu höheren Versagenskräften führt.
Die in dieser Arbeit erzielten experimentellen und simulativen Ergebnisse tragen zum
Verständnis der Vorgänge bei mechanisch belasteten induktionsgeschweißten
Fügungen zwischen Faserverbunden und Metallen bei. Der eingeschlagene Weg und
die zum Einsatz gebrachten Methoden sind auch auf andere Verbindungen übertragbar.
Das aufgebaute und validierte Simulationsmodell kann dabei für weiterführende
Parametervariationen oder zur mikromechanischen Analyse der Schweißungen
eingesetzt werden.
Die Gewichtsreduktion im Strukturbereich stellt einen zentralen Optimierungsansatz in der Luftfahrtindustrie dar, der vor allem durch adäquate Fügetechnologien genutzt werden kann. Ausgehend vom aktuellen Stand der Technik im Helikopterbau, dem Nieten, gilt es durch die Verwendung einer innovativen Fügetechnologie das volle technologische Leistungsvermögen hinsichtlich Performance, Qualität und Kosten zu nutzen. Dazu wurde das Induktionsschweißen als die potentialreichste Fügetechno-logie für den Helikopterbau bewertet. Um dieses identifizierte Potential für eine Luftfahrtfertigungstechnologie nutzbar zu machen, ist es unerlässlich, das Indukti-onsschweißen an die Luftfahrtanforderungen anzupassen. Vor allem in den Berei-chen Nachweisbarkeit, Leistungsfähigkeit und Kosten wurden daher Fragestellungen identifiziert deren Beantwortung den Kern dieser Arbeit darstellt.
Beim Induktionsschweißen werden faserverstärkte Thermoplaste durch ein Auf-schmelzen der Matrix und ein anschließendes Abkühlen unter Druck gefügt. Die Erwärmung des sich in einem alternierenden elektromagnetischen Feld (EMF) befindlichen Laminats erfolgt dabei durch die Einkopplung eines elektrischen Stroms in die Fasern.
Das zentrale Element zur Erreichung der geforderten Leistungsfähigkeit stellt die interlaminare Temperaturverteilung dar, welche es nachzuweisen gilt. Dieser Nach-weis wurde durch ein umfassendes analytisches Modell realisiert, das eine höchst-präzise interlaminare Temperaturberechnung ermöglicht. Die Kernaussagen, welche aus dem Modell abgeleitet werden, sind die dickenabhängige Erwärmung des Laminats, die EMF-Semipermeabilität der Laminatoberflächen und der nicht expo-nentielle Abfall sowie der nicht lineare Verlauf der Temperatur in Dickenrichtung. Die Validierung der analytischen Modellierung gelang nur durch die Identifikation einer EMF-toleranten, hochdynamischen Temperaturmesstechnologie, welche mit hoher Auflösung interlaminar eingesetzt werden kann.
Auf Grundlage der Modellergebnisse wurden die optimalen Schweißparameter definiert, auf deren Basis die Leistungsfähigkeit der Induktionsschweißtechnologie mit circa 36 MPa Scherfestigkeit bestätigt wurde. Durch eine Sensibilitätsanalyse konnte weiterhin der Einfluss der Parameter Generatorleistung, Kühlvolumen, Anpressdruck, Induktorabstand, Fehlereinschlüsse und Geschwindigkeit bestimmt werden. Aufgrund der im aktuellen Anlagenaufbau nicht vorhanden Parameterüber-wachung und aufgrund des hohen Prozesseinflusses erwies sich dabei der Induktor-abstand als der kritischste Faktor.
Etwaige dadurch auftretende qualitative Mängel können durch den schlanken, maßgeschneiderten Einsatz einer Kombination aus der Ultraschalluntersuchung, einer in der Luftfahrt standardmäßig eingesetzten Qualitätssicherungsmethode und eines progressiven Inline-Prozesskontrollansatzes detektiert werden.
Parallel zur mechanischen Leistungsfähigkeit der Technologie stand der Einfluss der Temperaturverteilung auf die Oberflächenqualität im Fokus. Durch die umfangreiche theoretische und experimentelle Analyse bereits bekannter und neu entwickelter Temperaturoptimierungsmethoden konnte mit der Kühlung der Oberfläche mit temperatur- und volumenvariablen Druckluftströmen eine effiziente Methode zur zielführenden Lösung der bestehenden Problemstellung ermittelt werden.
Die Anwendbarkeit der Induktionsschweißtechnologie konnte auch durch eine Kostenrechnung am Beispiel eines helikopterspezifischen Musterbauteils bestätigt werden.
Experimentelle Untersuchung des Rissausbreitungsverhaltens von nanopartikelverstärktem Polyamid 66
(2013)
Die Nanotechnologie wird als eine der Schlüsseltechnologien des 21sten Jahrhunderts angesehen. Sie ermöglicht es Werkstoffeigenschaften gezielt zu verändern oder dem Werkstoff gänzlich neue Eigenschaften zu verleihen. So kann beispielsweise die Bruchzähigkeit von Polymeren durch Zumischung von wenigen Volumenanteilen Nanopartikel erheblich gesteigert werden. Dadurch wird auch das Energieabsorptionsvermögen dieser Werkstoffe verbessert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden TiO2- und SiO2-Nanokomposite auf Basis von Polyamid 66 in einem Zweischneckenextruder durch Direktmischen mit Füllgehalten von ½, 1, 2 und 4 Vol.-% hergestellt. Mit Zugversuchen (Prüfgeschwindigkeiten von 1 mm – 1000 mm/s) und Bruchuntersuchungen bei quasistatischer sowie kurzzeit-dynamischer Belastung wurden die mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Mit vergleichenden Untersuchungen an einfach und zweifach extrudiertem ungefüllten Polyamid 66 (Referenzmaterial) konnte die Degradation des Polyamids durch den Extrusionsprozess ermittelt werden. Die TiO2- und SiO2-Nanokomposite wiesen deutliche Unterschiede in der Zähigkeit zueinander auf. Deshalb wurde ein Vergleich der plastischen Verformung bei Zugbeanspruchung der niedrig gefüllten Nanokomposite mittels einer Lichttransmissionsanalyse durchgeführt.
In den TiO2-Nanokompositen sind die Nanopartikel größtenteils in Form von Primärpartikeln homogen im Polyamid 66 verteilt. Die restlichen Nanopartikel fanden sich als Agglomerate unterschiedlicher Größen in der Matrix wieder. SiO2 Nanokomposite wiesen eine sehr geringe Anzahl an Agglomeraten auf. Stattdessen fanden sich die Nanopartikel vorwiegend homogen als Kleinstagglomerate verteilt vor. Übergreifend zeigten die untersuchten Nanokomposite bei niedrigen Füllgraden gegenüber dem Referenzmaterial die größten mechanischen Eigenschafts-steigerungen, welche mit steigendem Füllgehalt wieder abnahmen.
TiO2 Nanokomposite sind steifer und spröder als das Referenzmaterial. In den Zugversuchen bei geringen Prüfgeschwindigkeiten zeigten sie geringere Zugfestigkeiten und Duktilität. Mit steigender Belastungsrate wiesen alle untersuchten Materialien eine Versprödung auf, sodass bei den TiO2 Nanokompositen eine höhere Zugfestigkeit als die des Referenzmaterials bei hohen Prüfgeschwindigkeiten beobachtet wurde. Die Bruchzähigkeit der TiO2–Komposite war in den Bruchuntersuchungen sowohl bei quasistatischer als auch bei kurzzeitdynamischer Belastungsrate größer als bei dem Referenzmaterial.
Trotz gleicher Matrix zeigten die SiO2 Nanokomposite im Vergleich zu den TiO2-Nanokompositen ein anderes mechanisches Verhalten. Gegenüber dem Referenzmaterial wiesen sie in den Zugversuchen eine deutlich höhere Duktilität über alle untersuchten Prüfgeschwindigkeiten auf. Sie besaßen eine geringere Zugfestigkeit bei geringen Prüfgeschwindigkeiten. Bedingt durch die dehnratenabhängige Versprödung war die Zugfestigkeit bei der höchsten untersuchten Dehnrate größer als die der Referenz. Die SiO2 Nanokomposite hatten auch eine höhere Bruchzähigkeit bei quasistatischer und kurzzeitdynamischer Belastung, wobei sie einen geringeren Rissinitiierungswiderstand bei quasistatischer Prüfgeschwindigkeit aufwiesen.
Bezogen auf das Referenzmaterial zeigten die Nanokomposite ein Potential das Absorptionsvermögen von FKV zu steigern. Das Polyamid 66 im Referenzmaterial und in den Nanokompositen besaß eine vergleichbare Verarbeitungshistorie, welche sich auf die Materialeigenschaften ausgewirkt hat.
Das Ziel dieser Arbeit war, den Einfluss der textilen Parameter von Multifilamentgeweben
auf die Permeabilität zu bestimmen. Einer sehr umfangreichen Permeabilitätsstudie
wurden grundsätzliche Untersuchungen vorangestellt, die beantworten, mit
welchen Einschränkungen textile Modelle und Kapillarmodelle zur Berechnung der
Permeabilität eingesetzt werden können, worin sich Permeabilitätsmessergebnisse
ermittelt über Punkt- und Linienanguss sowie gesättigte und ungesättigte Permeabilitätsmessungen
unterscheiden und ob die Lagenanzahl einen Einfluss auf die Permeabilität
eines Laminataufbaus hat. In der Hauptstudie wurden die Ebenenpermeabilitäten
K1 und K2 von 19 Geweben auf einer Messzelle bestehend aus einem 160
mm dicken Ober- und Unterwerkzeug aus Aluminium mit integrierten Sensoren ermittelt.
Festgestellt wurde, dass Leinwandgewebe eine höhere K2-Permeabilität als Köpergewebe
und ein isotroperes Fließverhalten haben. Es wurde ermittelt, dass je höher
das Produkt aus Fadendichte und Titer, desto größer ist der negative Gradient
der Permeabilitäts-Faservolumengehaltskurve. Vier sehr dichte Gewebe dieser Studie
zeigen zudem die Besonderheit, dass die Richtung der K1-Permeabilität nicht mit
der Kettrichtung des Gewebes übereinstimmt. Der abweichende Orientierungswinkel
ist faservolumengehaltsabhängig und nähert sich stets 0° bei Faservolumengehalten
von über 55 %. Es wird des Weiteren erklärt, warum Gewebe, die in Kett- und
Schussrichtung gleich aufgebaut sind, ein anisotropes Fließverhalten zeigen. Dieser
Effekt kann mit der Kettfadenspannung bei der Gewebeherstellung erklärt werden
und über die Messung des Crimps ermittelt werden. Wurde eine große Differenz im
Crimp zwischen dem Kett- und Schussgarn gemessen, war auch die Anisotropie höher.
Neben der Kettfadenspannung bei der Herstellung wurden über ein D-optimal
Screening der Titer und die Fadendichte als signifikante Einflussfaktoren auf den
Crimp ermittelt.
Die Ergebnisse dieser Studie ermöglichen die Auswahl und das spezifische Design
von Verstärkungstextilien mit bestimmten Imprägnier- und Permeabilitätseigenschaften.
Zur Herstellung von Kolbenbeschichtungen wird oft Polyamidimid (PAI)-Harz eingesetzt.
Dieses Harz benötigt die Verwendung eines Lösungsmittels, welches das Auftragen der
PAI-basierten Beschichtungen ermöglicht und nach der Applikation wieder entzogen
wird. Als Standard zur Herstellung von Polyamidimid-Harzen wird das Lösungsmittel
N-Methyl-2-Pyrrolidone (NMP) verwendet. NMP hat sich im Laufe der Jahre als das am
besten geeigneten Lösungsmittel für diese Anwendung bewährt.
Im Jahr 2010 wurde NMP als toxisch eingestuft. Auch die mittlerweile verwendeten
alternativen Lösungsmittel, N-Ethyl-2-Pyrrolidon (NEP) und gamma-Butyrolacton (GBL),
bringen Schwierigkeiten mit sich: NEP wird aufgrund der Ähnlichkeit seiner chemischen
Struktur zu NMP aller Voraussicht nach in naher Zukunft auch als toxisch eingestuft, und
GBL, als Vorstufe eines Narkotikums, stellt eine Herausforderung mit Hinblick auf
Arbeitsschutz und –sicherheit dar.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines PAI-basierten
Beschichtungssystems, welches ein umweltfreundliches Lösungsmittel verwendet und
die Anforderungen zur Herstellung von Kolbenschaftbeschichtungen hinreichend gut
erfüllt. Desweiteren muss die neu entwickelte PAI-Beschichtung gute mechanische
Eigenschaften, gute Haftfestigkeit zum Kolbengrundmaterial und optimales
tribologisches Verhalten mit Augenmerk auf eine niedrige spezifische Verschleißrate
aufweisen. Diese Eigenschaften müssen nach Aushärtung bei einer Temperatur nicht
höher als 215 °C erfüllbar sein, welche in einem realen Beschichtungsprozess einen
problemlosen Ablauf sicherstellen würde.
Damit die erworbenen mechanischen und tribologischen Endeigenschaften der
hergestellten PAI-basierten Gleitlackbeschichtungen richtig verstanden und interpretiert
werden, wurden die Grundlagen der chemischen Struktur der PAI-Harze möglichst
detailliert untersucht. Diese geben einen tiefen Einblick in die vorliegenden Struktur-
Eigenschafts-Beziehungen und erklären das mechanische und tribologische Verhalten
der PAI-Harze. Eine grundlegende Untersuchung der chemischen Struktur ausgewählter PAI-Harze
ergab neue Erkenntnisse bezüglich deren Aushärtekinetik und gewährleistete die
Aufklärung der chemischen Prozesse, die während der PAI-Aushärtung ablaufen. In
diesem Zusammenhang wurde der Umsatz, die Reaktionsgeschwindigkeit und die
Vernetzungsdichte als Funktion verschiedener Aushärtetemperaturen ermittelt.
Es wurden PAI-Beschichtungssysteme basiert auf verschiedenen Lösungsmittel, wie
z.B. 1,3-Dimethyl-3,4,5,6-tetrahydro-2(1H)-pyrimidinon (DMPU), 1,3-Dimethyl-2-
imidazolidinon (DMEU) und 1-Methylimidazol (MI), tribologisch und mechanisch
analysiert und den NMP-, NEP- und GBL-basierten Systemen gegenüber gestellt.
Aufgrund der zahlreichen Versuche konnte festgestellt werden, dass das Lösungsmittel
1-Methylimidazol die gestellten tribologischen Anforderungen, sogar schon bei der für
eine Kolbenschaftbeschichtung maximal zulässigen Aushärtetemperatur (215 °C), am
besten erfüllt.
Die Untersuchungen der chemischen Struktur und der Aushärtekinetik ergaben die
Ursache für diese guten finalen Eigenschaften des PAI-MI-Harzsystems. Dabei wurde
festgestellt, dass 1-Methylimidazol die Imidisierungsreaktion von PAI katalysiert, so dass
die Aushärtereaktion bei niedriger Aushärtetemperatur vollständiger und mit höherer
Reaktionsrate im Vergleich zu konventionellen PAI-Harzen verläuft. Aufgrund der
Bildung von Wasserstoffbrücken-Bindungen zeigte das PAI-MI-Harz bei einer
Aushärtung mit Endtemperatur 215 °C eine doppelt so hohe Steifigkeit im Vergleich zu
konventionellen Harzsystemen.
Weiterhin ergab die tribologische Versuchsreihe, dass die Zugabe von
aminofunktionalisierten TiO2-Submikropartikeln, kombiniert mit gemahlenen kurzen
Kohlenstofffasern, die tribologischen Eigenschaften von PAI-basierten Beschichtungssystemen
in Motortests signifikant verbesserte. Die Aminofunktionalisierung der TiO2-
Submikropartikel verbesserte deren Anbindung an die aminhaltige PAI-Matrix. Die
gemahlenen kurzen Kohlenstofffasern gewährleisteten eine Minimierung der
Schwierigkeiten beim Siebdruckprozess.
Erfassung und Bewertung von Grenzschichteffekten in neuartigen kohlenstofffaserverstärkten Polymeren
(2005)
In der vorliegenden Arbeit wurde das Potenzial neuer Faser-Kunststoff-Verbunde auf
Basis von Duromeren mit hybrider und interpenetrierender Struktur und
Kohlenstofffasern analysiert. Die Motivation bestand darin, neue, innovative Harze im
Hinblick auf ihren Einsatz als Matrixsysteme für Flüssigimprägnierverfahren zum
Herstellen kontinuierlich kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoffe zu
untersuchen. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf der Ausbildung der
Faser/Matrix-Grenzschicht und deren Einfluss auf das gesamte Eigenschaftsprofil
der Verbunde.
Als Matrixsysteme wurden ein Vinylester-Urethan-Hybridharz (VEUH), eine mit
Flüssigkautschuk (ETBN) modifizierte Variante dieses Harzsystems und eine
Verbindung zwischen Epoxid (EP) und Vinylester (VE) verwendet. Nach
Charakterisierung der Reinharzsysteme und der Auswahl einer geeigneten
Kohlenstofffaser wurden Laminate im Harzinjektionsverfahren sowie im
Nasswickelverfahren gefertigt.
Es hat sich gezeigt, dass konventionelle, mikromechanische Testmethoden zur
Charakterisierung der Faser/Matrix-Grenzschicht unter Verwendung dieser
Materialien nur bedingt anwendbar sind und die damit erzielten Ergebnisse nicht
ausreichen, um Korrelationen mit den makromechanischen Kennwerten aufzustellen.
Vielmehr erwiesen sich Faserbündeltests als eine gute Alternative, um wichtige
Informationen in Bezug auf die Bildung und Charakterisierung der Grenzschicht zu
erlangen. Beispielsweise reagierte der Querzugfaserbündeltest (QFT) äußerst
sensibel auf Änderungen in der Grenzschicht und ist nicht zuletzt aufgrund der
Berücksichtigung mesomechanischer Aspekte besser geeignet, um
makromechanische Tendenzen widerzuspiegeln. Aus diesem Grund und weiterhin
mit dem Verdacht auf erheblich hohe Eigenspannungen in den VEUH-Verbunden
wurde ein Makro/Mikro-Modell erstellt und mit Hilfe der Finiten Elemente Methode
analysiert. Die Ergebnisse gaben sowohl Aufschluss über die Entwicklung der
thermischen Eigenspannungen, als auch über Ort und Höhe der wirkenden
Spannungskomponenten. Ein wichtiges Resultat war, dass über 75% der relevanten
Spannungskomponenten bereits bei der Abkühlung durch die induzierten
thermischen Eigenspannungen entstehen. Weiterhin standen die Ergebnisse im Einklang mit experimentell ermittelten Daten und mikroskopisch beobachteten
Ereignissen. So konnte gezeigt werden, dass die herrschenden Spannungszustände
in guter Annäherung die auftretenden Versagensmechanismen beschreiben.
Des Weiteren wurden mehrere neue Ansätze zur Ergebnisinterpretation
verschienener Testmethoden verfolgt. Diese Vorgehensweisen lieferten ebenfalls
Informationen über den Status der Faser/Matrix-Grenzschicht. Es wurde
insbesondere bei den in dieser Arbeit untersuchten neuartigen Harzsystemen
deutlich, dass bisher gewonnenes Fachwissen auf dem Gebiet der Faser/Matrix-
Grenzfläche nicht zwingend auf neue Materialkombinationen übertragbar ist. Ferner
verweisen die Ergebnisse auf die Ernsthaftigkeit der Grenzschichtproblematik in
FKV, da deutlich herausgearbeitet wird, wie breit das Spektrum sein kann, über das
sich der Einfluss der Faser/Matrix-Grenzschicht erstreckt.
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.
Für viele Anwendungen von Polymerkompositen steigt der Bedarf an multifunktionalen
Werkstoffeigenschaften, die elektrische Leitfähigkeit als integrierte
Funktionalität ist eine davon. Elektrisch leitfähige Polymerkomposite werden unter
anderem in explosionsgeschützten Anlagen oder in Bereichen eingesetzt, in denen
eine elektrostatische Ableitung gefordert wird.
Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nanotubes (CNTs)) sind aufgrund ihrer herausragenden
intrinsischen, vorwiegend mechanischen und elektrischen Eigenschaften
als Funktionsfüllstoff in polymeren Matrizes in das wissenschaftliche und industrielle
Interesse gerückt. Aufgrund ihrer vielfältigen Erscheinungsformen, abhängig von ihren
Herstellungsverfahren von einwandigen bis mehrwandigen CNTs und ihrer vorhandenen
Defektdichte sowie strukturellen Aufbauten, ist jede CNT-Type als Individuum
zu betrachten. Unabhängig von existierenden Einflussfaktoren wie z.B. dem
Matrixpolymer und den Verarbeitungsbedingungen differieren je nach CNT-Type die
Nanokompositeigenschaften signifikant. Dies führt dazu, dass die Ergebnisse und
Erkenntnisse außerordentlich stark streuen. Dadurch sind allgemeingültige Aussagen
nur bedingt möglich. Häufig sind nicht alle notwendigen Details der Wertschöpfungskette
in Veröffentlichungen dargelegt, was die Nachvollziehbarkeit erschwert.
Industriell hergestellte, mehrwandige CNTs (MWNTs) sind verstärkt in das industrielle
Interesse gerückt. Die Erforschung von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen
von CNT-Nanokompositen, außerhalb des Labormaßstabs, mit kommerziell
verfügbaren MWNTs und industriell relevanten Verarbeitungsverfahren, ist
weiter von ingenieurwissenschaftlicher Relevanz. Es besteht ein großer Bedarf an
Forschungsarbeiten, die klar herausstellen, welche Eigenschaftsprofile unter Beachtung
der notwendigen Wertschöpfungskette zu erzielen sind.
Bei der Kompoundentwicklung ist die gleichzeitige Verbesserung von Kompositeigenschaften
wie beispielsweise elektrischer, mechanischer und tribologischer Eigenschaften
anzustreben, um eine effektive Multifunktionalität zu erzielen. Die Funktionalisierung
mit mikroskaligen kurzen Kohlenstofffasern (SCFs) und mikroskaligem
Graphit ist Stand der Technik. Eine Kombination von nano- und mikroskaligen Füllstoffen
stellt große Potenziale zur Optimierung von Kompositeigenschaften bereit. Derartige Hybridwerkstoffe versprechen Synergien. Werden diese gezielt ausgenutzt,
lassen sich die Gesamteigenschaften über das Potenzial der Einzelfüllstoffe hinaus
optimieren. Es liegen wenige systematische Studien von Füllstoffkombinationen aus
MWNTs und SCFs oder Graphit vor. Zudem finden Hochtemperatur-Thermoplaste
wie das in dieser Arbeit eingesetzte Polyphenylensulfid (PPS) in der Literatur wenig
Beachtung, obwohl diese inzwischen industriell stark an Bedeutung gewinnen.
Ziel dieser Arbeit war die grundlagenorientierte, wissenschaftliche Betrachtung der
erreichbaren multifunktionalen Eigenschaften von PPS Kompositen durch den Einsatz
kommerziell verfügbarer MWNTs im direkten Vergleich und in Kombination mit
mikroskaligen SCFs und Graphit als Füllstoffe. Dazu wurden systematisch Kombinationen
der drei Füllstoffe untersucht, um eine effektive Multifunktionalität zu realisieren
und um die Effektivität der Einzelfüllstoffe in kombinierten Füllstoffsystemen zu
erforschen.
Neben der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit und den mechanischen Eigenschaften
unter Zugbelastung bei Raumtemperatur wurden die tribologischen Eigenschaften
der Komposite untersucht. Über mikroskopische Verfahren, DSC-, DMTAund
Viskositätsuntersuchungen konnten wesentliche Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen
abgeleitet werden, indem die dafür notwendige Wertschöpfungskette
von der Kompositherstellung über Doppelschneckenextrusion und anschließender
Probenherstellung über Spritzguss als industriell relevante Herstellungsverfahren
Beachtung fand.
Über optimierte Prozessparameter (Schneckendesign, Drehzahl, Temperatur etc.)
der Doppelschneckenextrusion und des Spritzgusses konnte gezeigt werden, dass
elektrisch leitfähige PPS-Komposite mit geringsten MWNT-Füllstoffgehalten
(< 2 Gew.-%) unter Beibehaltung der Zugfestigkeit realisiert werden können. Dabei
wurde die Steifigkeit erhöht, die Zähigkeit erniedrigt.
Systematisch wurden monomodale Graphit/, SCF/, bimodale MWNT/Graphit/, Graphit/
SCF/, MWNT/SCF/ und multimodale MWNT/Graphit/SCF/PPS-Komposite hergestellt,
womit der jeweilige Füllstoffeinfluss auf das Eigenschaftsprofil untersucht
wurde. Sowohl die Steifigkeitssteigerung durch MWNTs und SCFs als auch die spezifischen
elektrischen Leitfähigkeiten der Komposite wurden mit bereits existierenden Modellen beschrieben. Für bimodale MWNT/SCF/PPS-Komposite konnte ein neuer
Modellansatz zur Beschreibung der elektrischen Leitfähigkeit erarbeitet werden.
Mit dieser Arbeit wurden erstmals Studien zu systematischen Füllstoffkombinationen
von MWNTs, Graphit und SCFs in PPS durchgeführt, Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen
abgebildet und die notwendige Wertschöpfungskette dargelegt.
Mit den neuen Ergebnissen und Erkenntnissen dieser Arbeit ist es zukünftig möglich,
durch eine optimierte Füllstoffkombination von MWNTs, SCFs und Graphit das Gesamteigenschaftsprofil
von PPS Kompositen zielorientiert einzustellen.
Durch diese Arbeit wurde klar herausgearbeitet, wie die Einzelfüllstoffe und insbesondere
deren Kombinationen das Eigenschaftsprofil beeinflussen. Daraus geht hervor,
dass MWNTs der effektivste Füllstoff zur Integration einer elektrischen Leitfähigkeit
ist. Dagegen bestimmen SCFs das mechanische und tribologische Eigenschaftsprofil
und Graphit dient zur Optimierung tribologischer Eigenschaften und insbesondere
zur Reduktion des Reibungskoeffizienten. Synergien zur Verbesserung
der elektrischen Leitfähigkeit zwischen SCFs und MWNTs wurden nachgewiesen,
speziell in Perkolationsnähe, dem Bereich, in dem die Leitfähigkeit um Dekaden ansteigt.
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.
Induction welding is a technique for joining of thermoplastic composites. An alternating
electromagnetic field is used for contact-free and fast heating of the parts to be
welded. In case of a suitable reinforcement structure heat generation occurs directly
in the laminate with complete heating in thickness direction in the vicinity of the coil.
The resulting temperature field is influenced by the distance to the induction coil with
decreasing temperature for increasing distance. Consequently, the surface facing the
inductor yields the highest, the opposite surface the lowest temperature.
The temperature field described significantly complicates the welding process. Due to
complete heating the laminate has to be loaded with pressure in order to prevent delamination,
which requires the usage of complex and expensive welding tools. Additionally,
the temperature difference between the inductor and the opposite side may
be greater than the processing window, which is determined by the properties of the
matrix polymer.
The induction welding process is influenced by numerous parameters. Due to complexity
process development is mainly based on experimental studies. The investigation
of parameter influences and interactions is cumbersome and the measurement
of quality relevant parameters, especially in the bondline, is difficult. Process simulation
can reduce the effort of parameter studies and contribute to further analysis of
the induction welding process.
The objective of this work is the development of a process variant of induction welding
preventing complete heating of the laminate in thickness direction. For optimal
welding the bondline has to reach the welding temperature whereas the other domains
should remain below the melting temperature of the matrix polymer.
For control of the temperature distribution localized cooling by an impinging jet of
compressed air was implemented. The effect was assessed by static heating experiments
with carbon fiber reinforced polyetheretherketone (CF/PEEK) and polyphenylenesulfide
(CF/PPS).
The application of localized cooling could influence the temperature distribution in
thickness direction of the laminate, according to the specifications of the welding
process. The temperature maximum was shifted from the inductor to the opposite side. This enables heating of the laminate to welding temperature in the bondline and
concurrently preventing melting and effects connected to this on the outer surface.
Inductive heating and the process variant with localized cooling were implemented in
three-dimensional finite-element process models. For that purpose, the finiteelement-
software Comsol Multiphysics 4.1 was used for the development of fully
coupled electromagnetic-thermal models which have been validated experimentally.
A sensitivity analysis for determination of different processing parameters of inductive
heating was conducted. The coil current, field frequency, and heat capacity were
identified as significant parameters. The cooling effect of the impinging jets was estimated
by appropriate convection coefficients.
For transfer of the developed process variant to the continuous induction welding
process, a process model was created. It represents a single overlap joint with continuous
feed. With the help of process modeling a parameter set for welding of
CF/PEEK was determined and used for joining of specimens. In doing so, the desired
temperature field was achieved and melting of the outer layers could be prevented.
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.
Unidirectional (UD) composites are the most competitive materials for the production
of high-end structures. Their field of application spreads from the aerospace up to
automotive and general industry sector. Typical examples of components made of
unidirectional reinforced composite materials are rocket motor cases, drive shafts or
pressure vessels for hydrogen storage. The filament winding technology, the pultrusion
process and the tape placement are processes suitable for the manufacturing
using UD semi-finished products. The demand for parts made of UD composites is
constantly increasing over the last years. A key feature for the success of this technology
is the improvement of the manufacturing procedure.
Impregnation is one of the most important steps in the manufacturing process. During
this step the dry continuous fibers are combined with the liquid matrix in order to create
a fully impregnated semi-finished product. The properties of the impregnated roving
have a major effect on the laminate quality, and the efficient processing of the
liquid matrix has a big influence on the manufacturing costs.
The present work is related to the development of a new method for the impregnation
of carbon fiber rovings with thermoset resin. The developed impregnation unit consists
of a sinusoidal cavity without any moving parts. The unit in combination with an
automated resin mixing-dosing system allows complete wet-out of the fibers, precise
calibration of the resin fraction, and stable processing conditions.
The thesis focuses on the modeling of the impregnation process. Mathematical expressions
for the fiber compaction, the gradual increase of the roving tension, the
static pressure, the capillarity inside the filaments of the roving, and the fiber permeation
are presented, discussed, and experimentally verified. These expressions were
implemented in a modeling algorithm. The model takes into account all the relevant
material and process parameters. An experimental set-up based on the filament
winding process was used for the validation of the model. Trials under different conditions
have been performed. The results proved that the model can accurately simulate
the impregnation process. The good impregnation degree of the wound samples
confirmed the efficiency of the developed impregnation unit. A techno economical
analysis has proved that the developed system will result to the reduction of the
manufacturing costs and to the increase of the productivity.
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) werden aufgrund ihres hohen Leichtbaupotentials
in vielen Industriebereichen eingesetzt. Eine Verstärkung von Kunststoffen mit Fasern
führt zu einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Positive
Veränderungen des Eigenschaftsspektrums sind zum Beispiel deutliche Verbesserungen
des Zug-E-Moduls und der Zugfestigkeit. Negative Erscheinungen, die aus
der Faserverstärkung resultieren können, sind eine geringere Bruchdehnung des
Verbundwerkstoffes und ein spröderes Bruchverhalten bei Impakt- und Crashbelastung.
Um diesen Nachteil auszugleichen, werden vermehrt Metall-Kunststoff-
Composites (Hybridverbundwerkstoffe) entwickelt, bei denen die positiven Eigenschaften
von Metallen und Faser-Kunststoff-Verbunden gezielt kombiniert werden,
um weitere Eigenschaftsverbesserungen zu erreichen.
Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung eines Herstellungsverfahrens sowie
die Charakterisierung, Modellierung und Simulation von neuartigen hybriden
edelstahltextilverstärkten Polypropylen- (ETV-PP) und Polypropylen/Langglasfaser-
Werkstoffen (ETV-PP/GF). Für die Fertigung von ETV-Verbundwerkstoffen wurde ein
zweistufiges Verfahren im Labormaßstab erarbeitet und eingeführt. Während der
Fertigungsstudien wurden ausgewählte Prozess- und Materialparameter variiert, um
deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der neuartigen ETVFaserkunststoffverbunde
(ETV-FKV) zu untersuchen. Nicht in jedem Fall konnte eine
eindeutige Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaft von der variierten Prozessgröße
festgestellt werden. Wenn die Ergebnisse in ihrer Gesamtheit betrachtet werden,
treten folgende zwei äußerst positive Effekte in den Vordergrund: Zum einen
konnte durch den Einsatz der Edelstahltextilverstärkungen die Fragmentierungsneigung
von spröden PP-Matrixsystemen bei Impaktbelastung erheblich verringert werden
und zum anderen wurde die Energieabsorption bei hochdynamischer Durchstoßbeanspruchung
signifikant verbessert. Die mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie
(REM) identifizierte schlechte Stahl/PP-Anhaftung konnte durch eine
mechanische Vorbehandlung der Verstärkungstextilien ebenfalls gesteigert werden.
Modelle zur mikromechanischen finite Elemente (FE) Simulation des Zug-E-Moduls
von ETV-Verbundwerkstoffen wurden entwickelt und anhand von experimentellen
Daten verifiziert und validiert.
Epoxy resins have achieved acceptance as adhesives, coatings, and potting compounds,
but their main application is as matrix to produce reinforced composites.
However, their usefulness in this field still limited due to their brittle nature. Some
studies have been done to increase the toughness of epoxy composites, of which the
most successful one is the modification of the polymer matrix with a second toughening
phase.
Resin Transfer Molding (RTM) is one of the most important technologies to manufacture
fiber reinforced composites. In the last decade it has experimented new impulse,
due to its favorable application to produce large surface composites with good technical
properties and at relative low cost.
This research work focuses on the development of novel modified epoxy matrices,
with enhanced mechanical and thermal properties, suitable to be processed by resin
transfer molding technology, to manufacture Glass Fiber Reinforced Composites
(GFRC’s) with improved performance in comparison to the commercially available
ones.
In the first stage of the project, a neat epoxy resin (EP) was modified using two different
nano-sized ceramics: silicium dioxide (SiO2) and zirconium dioxide (ZrO2); and
micro-sized particles of silicone rubber (SR) as second filler. Series of nanocomposites
and hybrid modified epoxy resins were obtained by systematic variation of filler
contents. The rheology and curing process of the modified epoxy resins were determined
in order to define their aptness to be processed by RTM. The resulting matrices
were extensively characterized qualitatively and quantitatively to precise the effect
of each filler on the polymer properties.
It was shown that the nanoparticles confer better mechanical properties to the epoxy
resin, including modulus and toughness. It was possible to improve simultaneously
the tensile modulus and toughness of the epoxy matrix in more than 30 % and 50 %
respectively, only by using 8 vol.-% nano-SiO2 as filler. A similar performance was
obtained by nanocomposites containing zirconia. The epoxy matrix modified with 8 vol.-% ZrO2 recorded tensile modulus and toughness improved up to 36% and 45%
respectively regarding EP.
On the other hand, the addition of silicone rubber to EP and nanocomposites results
in a superior toughness but has a slightly negative effect on modulus and strength.
The addition of 3 vol.-% SR to the neat epoxy and nanocomposites increases their
toughness between 1.5 and 2.5 fold; but implies also a reduction in their tensile modulus
and strength in range 5-10%. Therefore, when the right proportion of nanoceramic
and rubber were added to the epoxy resin, hybrid epoxy matrices with fracture
toughness 3 fold higher than EP but also with up to 20% improved modulus were
obtained.
Widespread investigations were carried out to define the structural mechanisms responsible
for these improvements. It was stated, that each type of filler induces specific
energy dissipating mechanisms during the mechanical loading and fracture
processes, which are closely related to their nature, morphology and of course to
their bonding with the epoxy matrix. When both nanoceramic and silicone rubber are
involved in the epoxy formulation, a superposition of their corresponding energy release
mechanisms is generated, which provides the matrix with an unusual properties
balance.
From the modified matrices glass fiber reinforced RTM-plates were produced. The
structure of the obtained composites was microscopically analyzed to determine their
impregnation quality. In all cases composites with no structural defects (i.e. voids,
delaminations) and good superficial finish were reached. The composites were also
properly characterized. As expected the final performance of the GFRCs is strongly
determined by the matrix properties. Thus, the enhancement reached by epoxy matrices
is translated into better GFRC´s macroscopical properties. Composites with up
to 15% enhanced strength and toughness improved up to 50%, were obtained from
the modified epoxy matrices.
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 haben in vielen technischen Bereichen eine stetig
wachsende Verbreitung erfahren. Diese rührt aus ihren vorteilhaften Eigenschaften
hoher gewichtsspezifischer Festigkeit und Steifigkeit. Dadurch
sind Gewichtsreduktion, erhöhte Nutzlast, sowie hohe Funktionsintegration in
Kombination mit einer freien Formgebung und einer beanspruchungsgerechten
Konstruktion möglich. Daneben weisen faserverstärkte Kunststoffe hohe
Energieabsorption und herausragende Ermüdungseigenschaften auf. Zur
quasi-statischen Bauteilauslegung existieren physikalisch basierte Bruchkriterien;
Analysemodelle zur quantitativen Beschreibung des gesamten komplexen
Ermüdungsversagens sind zurzeit noch Gegenstand der Forschung.
Werkstoffermüdung erfordert eine gesonderte Betrachtung bei der Auslegung
und Konstruktion. Die am Institut für Verbundwerkstoffe vorhandenen Verfahren
zur Berechnung der Ermüdung von Faserverbunden sind auf die Berechnung
ebener Belastungen an geometrisch ebenen und dünnwandigen Bauteilen
unter Verwendung linearer Werkstoffgesetze begrenzt. Der bei komplexen,
dünnwandigen und gekrümmten dreidimensionalen Bauteilen unter schwingender
Belastung vorliegende Spannungszustand erfordert zur realitätsnahen
Abbildung den Einsatz nichtlinearer Werkstoffgesetze und geeigneter Versagensmodelle
zur kontinuumsmechanischen Beschreibung der Schadensentwicklung,
welche in die Finite-Elemente-Analyse zu integrieren sind.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung eines auf der Critical-
Element-Methode basierenden Berechnungskonzepts für die Simulation der
Ermüdung von Faser-Kunststoff-Verbunden von der für geometrisch einfache
Strukturen einsetzbaren Klassischen Laminattheorie bis zum Einsatz in der
Finite-Element-Methode bei komplexen Bauteilgeometrien. Dazu wurden geeignete
nichtlineare Werkstoffgesetze und Versagensmodelle für das komplexe
Versagensverhalten unter schwingender Belastung an einem mit Endloskohlenstofffaser
verstärkten Werkstoff auf Einzelschichtebene experimentell
bestimmt und ihr Einsatz in der entwickelten Finite-Elemente-Lebensdaueranalyse
exemplarisch an einem Anwendungsbeispiel eines praktisch relevanten
Bauelements validiert.
In quasi-statischen Zug- und Druckversuchen wurden die nichtlinearen Spannungs-Verzerrungs-Beziehungen des Werkstoffs an Flachprobekörpern
ermittelt und mit der Ramberg-Osgood-Funktion beschrieben. Zur Ermittlung
ermüdungsrelevanter Kennwerte wurden Restfestigkeitsuntersuchungen nach
zyklischer Ermüdung, die Bestimmung des Steifigkeitsabfalls unter zyklischer
Belastung und Einstufenversuche zur Beschreibung der Wöhlerlinie durchgeführt.
Um die Messung des nichtlinearen Materialverhaltens im Versuch
möglichst frei von Einflüssen der Prüfvorrichtung zu ermöglichen, wurde ein
verbessertes Prüfverfahren für Zugschwell-, Druckschwell- und Zug-Druck-
Wechselprüfungen an Flachproben erarbeitet.
Unter Nutzung der experimentell ermittelten Werkstoffgesetze zusammen mit
geeigneten Versagenskriterien wurde ein Finite-Elemente-Lebensdaueranalyseprogramm
entwickelt, das durch die Verwendung eigenständiger Programmroutinen
eine für die praktikable Durchführbarkeit einer prognosefähigen Lebensdaueranalyse
notwendige Rechenzeitverkürzung erreicht. Die entwickelte
kontinuumsmechanische Versagensanalyse ermöglicht die präzise Analyse
der Einzelschichtspannungen des Laminats infolge der äußeren Belastung
in Kombination mit einer spannungsbasierten Anstrengungsanalyse zur Abbildung
der ermüdungsbedingten Degradation der Werkstoffkennwerte bis hin
zum Gesamtversagen. Die Berechnung des Degradationsfortschritts durch zyklische
Belastung ist in guter Übereinstimmung mit dem in experimentellen Untersuchungen
an quasi-isotropen Probekörpern beobachteten Versagensvorgängen.
Dieser wurde versuchsbegleitend in zweidimensionalen Röntgenaufnahmen
detektiert und durch dreidimensionale Computertomographie den Einzelschichten
zugeordnet. Durch Nachrechnung experimenteller Untersuchungen
an einem quasi-isotropen, mit Endloskohlenstofffaser verstärkten Bauelement
mit Kreisausschnitt konnte die entwickelte Lebensdaueranalyse validiert
und eine konservative Vorhersage der Versagensschwingspielzahl abgeschätzt
werden. In Variationsanalysen wurde der Einfluss der nichtlinearen
Werkstoffgesetze und eines Degradationsmodells auf die Lebensdaueranalyse
untersucht.
Die Entwicklung der integrierten Finite-Elemente-Lebensdaueranalyse stellt
einen deutlichen Fortschritt des Berechnungskonzeptes dar und ermöglicht
einen Einblick in die komplexen Interaktionen aus Geometrie, Belastung, Degradationsmodellen
und Schadensausbreitung bei Ermüdungsbelastung.
Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, für den innerhalb der Faserkunststoffverbunde
etablierten Liquid Composite Molding (LCM) Herstellungsprozess, eine optimierte
Preformherstellung aus unidirektionalen (UD) Verstärkungsfasern zu entwickeln.
Dies beinhaltet auch das lokale Verstärken einer textilen Preform. Der ausschlaggebende
Prozess ist hierbei der Preform-Prozess, da dieser Kostentreiber innerhalb
der LCM-Prozesskette ist, in welchem die Verstärkungsfasern zu einem trockenen,
transportfähigen und meist flächigen Faserrohling verbunden werden.
Innerhalb des hier entwickelten Preformingprozesses werden Kohlenstofffasern, sogenannte
Heavy Tows mit einem pulverförmigen Bindersystem eingebracht, erhitzt
und mittels Endeffektor beim Ablegen konsolidiert. Die für den Prozess benötigten
Module und Systeme wurden vor der Online-Bebinderung zuerst an einem separaten
Offlinebebinderungsprüfstand montiert. Mittels dieses Offlinebebinderungsprüfstandes
war die Optimierung und Analyse der einzelnen Module und Systeme durch die
Herstellung eines kontinuierlich bebinderten Rovings (Halbzeug) außerhalb der diskontinuierlichen
Online-Bebinderung möglich. Zugleich wurden mit dem Offlineprüfstand
Halbzeuge mit unterschiedlichem Bindergehalt und unterschiedlichem Bindertyp
hergestellt um einen Einfluss des Bindergehaltes als auch des Bindertyps auf die
Eigenschaften der Preform und des infiltrierten Bauteiles zu analysieren. Die Analyse
der Versuche zeigte deutlich, dass die Wahl des Bindertyps bei gleichbleibender Infiltrationsmatrix
einen signifikanten Einfluss auf die Performance des Bauteils hat,
wohingegen die Bindermenge tendenziell einen untergeordneten Einfluss zeigt. Nach
der Sicherstellung der Funktionsfähigkeit der Module wurden diese an ein robotergestütztes
Ablegesystem zur Online-Bebinderung installiert. Die Applizierung der Binderpartikel
innerhalb der Online-Bebinderung erfolgt temporär während des Ablegeprozesses.
Zur Demonstration der Funktionsfähigkeit wurde eine quasiisotrope Glasfaserpreform
lokal mit den Kohlenstofffasern verstärkt. Die hergestellte ebene Preform
wurde im Anschluss erwärmt, kompaktiert und in eine 3 dimensionale Preform
umgeformt.
Den Abschluss der Arbeit bildet eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des entwickelten
Prozesses im Vergleich zu zwei „State of the Art“ Preformherstellungsprozessen.
Hierbei konnte gezeigt werden dass die Kosten des gesamten Bauteiles um 3,7 %
sinken unter Anwendung des neu entwickelten Verfahrens der Online-Bebinderung.