The tape placement technique is of particular importance for the production of large and weight optimized structural components especially in the aeronautic industry. The components are produced independently of size and load directions by placing single unidirectional fiber reinforced tapes automatically. Moreover, very large component dimensions enable a reduction of joining processes. In comparison to the thermoset tape placement, additional potentials can be set up through the usage of thermoplastic semi-finished materials, as beside the high degree of integration und the defined laminate construction less material specific problems and a non-autoclave production can be realized. This thesis follows an allembracing analyses and development of the thermoplastic tape placement process to provide knowledge to overcome the deficits concerning semi-finished materials, systems engineering and available models for the process description. First, the process is described and differentiated. Within the scope of a strategic process analyses, the potentials and strength of this process are worked out. Through a succeeding operational process analyses, the process is pictured in detail and further developments of the process and the control are made possible. All aspects of the process in terms of quality of the semi-finished material, systems engineering, process control, and quality assurance are considered for the process development. Innovative concepts to solve the first layer problem and a new tape placement head are worked out. A new model is developed to support strategic decisions on basis of component specific cycle times. A measure for the component shape complexity is derived and integrated into a continuous approach. The model is based on the process physics and can be applied to any component without a need for empiric data. Finally, new process potentials are presented through a combination of thermoforming and thermoplastic tape placement.

Die effektive Nutzung der attraktiven Materialeigenschaften von Verbundwerkstoffen, insbesondere die der langfaserverstärkten Polymere in Großserienbauteilen, macht nicht nur die Entwicklung entsprechender Fertigungsverfahren sondern einhergehend prognosefähige Berechnungsmethoden für Werkstoff und Bauweise notwendig. Praxistaugliche Berechnungsmodelle beschränken sich in der Regel auf bewusst einfach gehaltene analytische Modelle zur Grobdimensionierung oder auf Finite-Elemente- Analysen. Letztere erlauben, lokale Konstruktionsaspekte darzustellen und detaillierte Einsicht in das Strukturverhalten zu nehmen. Am Beispiel von mit der Wickeltechnik hergestellter zylindrischer Vollkunststoff- Druckbehälter wurden Auslegungsmethoden für unidirektional verstärkte FKV-Strukturen erörtert, experimentell validiert und zusammen mit analytisch formulierten Randbedingungen bzw. Modellen zu Geometrie, Werkstoff und Fertigung in ein vollparamtrisches, dreidimensionales FE-Auslegungsmodul implementiert. Durch die Auflösung der tragenden Tankstruktur in die einzelnen Wickellagen und der parametrischen Variation von Lagenaufbau und Domgeometrie gestattet dieses eine effektive Bauweisenoptimierung hinsichtlich Gewicht und Werkstoffausnutzung. Insbesondere die neuartige, experimentell verifizierte Beschreibung der einzelnen Wickellagendicken im Behälterdom erlaubt eine der Fertigung entsprechende, im jeweiligen Wicklungslagenende wulstfreie Behältermodellgenerierung. Gewebeverstärkte thermoplastische Halbzeuge können oberhalb ihrer Verformungstemperatur wiederholt mittels Stempelumformprozess in aufeinander abgestimmten Werkzeughälften umgeformt werden. Für eine effektivere Auslegung solcher Bauweisen durch Verbesserung der Werkstoffmodellierung wird erstmalig die Prozesssimulation mit der Strukturanalyse gekoppelt. Die hierfür entwickelte Schnittstelle vollzieht neben der Datenübersetzung die automatisierte Aufbereitung des Simulationsschalennetzes zum voluminösen Strukturmodell nebst Modellbeschneidung und beinhaltet erste Ansätze zur Abschätzung der Werkstoffkennwerte des infolge der Drapierung nicht mehr orthogonal gewebeverstärkten FKV. Die Berücksichtigung von Fadenorientierung, Dickenverteilung und auftretenden Falten durch Übertragung des Simulationsnetzes erlaubt eine im Vergleich zum Stand der Technik realitätsnähere, durch Bauteilprüfungen validierte Abbildung des mechanischen Strukturverhaltens. The effective use of the attractive material properties of fiber reinforced plastics (FRP), especially of long fiber reinforced polymers in mass production, requires an advanced development of suitable manufacturing processes and prognostic design and analysis methods for the material and structural behavior. This paper resulted out of two research projects, accompanied by industrial, close to series development tasks. The objective was to increase the efficiency of the material, structure and manufacturing aspects of the prototype development through improved modeling methods in analysis and simulation in close relationship with the design, material development and testing facilities. Mass production capability of thermoforming processing in combination with weight saving potentials on the one hand and thermal and electrical insulation advantages of thermoplastics in comparison to steel on the other hand was the motivation for the development of a safety toe cap for safety shoes made of canvas reinforced thermoplastics. An innovative analysis method for structures made of canvas reinforced plastics which was initiated by this development program focus on a realistic reproduction of the non-orthogonal fiber reinforcement of the woven fabric after the thermoforming process. Canvas reinforced thermoplastics can be simplified as an alignment of small unidirectional fiber reinforced sections in weft and warp direction. The underlying design theories for unidirectional FRP were rehashed and advanced in the framework of a full plastic high pressure vessel development program. To improve the effectiveness of the pressure vessel design work, the mentioned design theories and further specific manufacturing models were implemented in an innovative, full-parametric design module validated by burst pressure vessel tests. Of importance for the dimensioning and wide application of FRP-structures is the ability to forecast the material behavior, particularly with regard to the frequent lack of measured material properties in practical design work. The conceptual formulation was augmented for the quality assessment of the accomplished design work with a systematic evaluation of the most well known estimations in regards to stiffness and strength properties of unidirectional and canvas reinforced plastics. For non-orthogonal canvas reinforced FRP, as in case of thermoformed components, no appropriate material model is available. A relative easy handling material model for orthogonal canvas reinforced FRP known in literature was augmented to non-orthogonal. This paper is not dealing with lightweight construction methods but in fact with the objective to improve the praxis relevant design methods of unidirectional and bidirectional fiber reinforced plastics; i.e. including estimations for material properties and manufacturing influences. The fundamentals of the presented analyses are the consideration of fiber orientation and ply thickness close to reality by analytical models implemented in the FEA like the description of the fiber deposition in a filament winding process. A significant improvement of the design and analyses methods for unidirectional FRP exemplarity in the case of high pressure vessels made of full plastic has been done by the comprehension of relevant manufacturing parameters, especially through the improved description of the ply thickness in the vessel domes. This was achieved by combining two models, each separately known in literature, to level the bulges at the end of each ply due to increasing fiber coverage and their mathematical description. This leveling meets the practical corrections that also have to be done in a filament winding program in the manufacturing process. Validating measurements on pressure vessel prototypes were performed and showed excellent accordance. Beyond it, the developed parametric FE analysis tool for cylindrical pressure vessels produced with the filament winding technique enables a time efficient design optimization vessels in the analysis tool were set back to future work due to the unsufficient amount of vessel tests and for the benefit of a challenging design analysis concept for canvas reinforced FRP. For thermoformed canvas reinforced FRP the fiber orientation and play thickness can be determined by process simulation. Interfaces to the structural analysis that particularly include the theoretical estimation of material properties and the material modeling are not available in the commercial market. Hence, even the structural analysis of such constructions can not be assumed to be state of the art. Previous analyses of thermoformed constructions depend on material isotropy or neglect the canvas shearing during draping; i.e. the thermoformed woven fabric material is modeled with orthogonal fiber orientation and constant ply thickness. The objective of this paper is to combine forming simulation and structural analysis in a way, that beside the pure data translation, the interface performs an automated transformation of the shell based process simulation FE net to a volumetric structure model including the model trimming and the estimation of the non-orthogonal material properties. The consideration of fiber orientation, thickness distribution and eventually occurring crinkles transferred with the FE net of the process simulation into the structural analysis allows a much more reliable reproduction of the mechanical structure behavior as in comparison to the traditional state of the art analysis which has been validated by extensive prototype tests. The static, non-linear analysis of the toe cap made of canvas reinforced thermoplastic is accompanied by very successful prototype tests, which in turn pushed this toe cap design ahead. This series are closely linked to material development, as well as new manufacturing technology. and analysis because of it's automated model generation. The analysis or evaluation of variants of the load bearing FRP lay-up, the influence of different valve geometry and dome contours necessitates now solely the modification of the input parameters. For a specific forecast of the achievable burst pressure of a pressure vessel design additional work has to be done. A degradation model has to be implemented in the analysis tool to evaluate the increasing local ply failures until the vessel burst. The main objective for the unidirectional FRP essay of the paper was to improve the model generation and to increase the time effectiveness of the design analysis, which has been achieved. The originally planed implementation of a strength evaluation of pressure

Ever since establishment of portfolio selection theory by Markowitz (1952), the use of Standard deviation as a measure of risk has heavily been criticized. The aim of this thesis is to refine classical portfolio selection and asset pricing theory by using a downside deviation risk measure. It is defined as below-target semideviation and referred to as downside risk. Downside efficient portfolios maximize expected payoff given a prescribed upper bound for downside risk and, thus, are analogs to mean-variance efficient portfolios in the sense of Markowitz. The present thesis provides an alternative proof of existence of downside efficient portfolios and identifies a sufficient criterion for their uniqueness. A specific representation of their form brings structural similarity to mean-variance efficient portfolios to light. Eventually, a separation theorem for the existence and uniqueness of portfolios that maximize the trade-off between downside risk and return is established. The notion of a downside risk asset market equilibrium (DRAME) in an asset market with finitely many investors is introduced. This thesis addresses the existence and uniqueness Problem of such equilibria and specifies a DRAME pricing formula. In contrast to prices obtained from the mean-variance CAPM pricing formula, DRAME prices are arbitrage-free and strictly positive. The final part of this thesis addresses practical issues. An algorithm that allows for an effective computation of downside efficient portfolios from simulated or historical financial data is outlined. In a simulation study, it is revealed in which scenarios downside efficient portfolios outperform mean-variance efficient portfolios.

Die Luftfahrtindustrie und die meeresgestützte ölfördernde Industrie, die so genannte Off-Shore Industrie, streben die Einführung bzw. Weiterverbreitung von faserverstärkten Kunststoffen mit thermoplastischer Matrix an. Sowohl Leistungsverbesserung aber auch Kosten- und Gewichtsreduktion sind die Treiber für diese Entwicklung. Der sehr hohe Anspruch an die Qualität der Bauteile bedingt die Verfügbarkeit geeigneter Herstellungsverfahren. Beispiele hierfür sind das Tapelege- und das Wickelverfahren. Beide Prozesse sind allerdings bis heute nur in den Varianten für die Verarbeitung duroplastischer Matrizes industriell umgesetzt und etabliert. Die Bauteilherstellung geschieht bei Anwendung von Duroplasten für Hochtemperatur- oder Primärstrukturanwendungen durch eine, dem formgebenden Prozess nachgeschaltete Aushärtung im Ofen oder Autoklav. Thermoplaste bieten jedoch die Möglichkeit zur Einsparung dieses Prozessschrittes durch die in-situ Konsolidierung, d.h. endkonturnahes, formgebendes Ablegen und Verschweißen in einem Schritt. Die Komplexität der Thermoplastprozesse ist jedoch durch die simultane Durchführung zweier Aufgaben erhöht. Deshalb besteht ein großer Bedarf, die theoretischen Hintergründe, das physikalische, thermodynamische und chemische Prozessverständnis stetig grundlegend zu erarbeiten bzw. zu verbessern. Die rein experimentelle Prozessentwicklung an Anlagen industriellen Maßstabs ist aus Kostengründen und dem Problem der mangelhaften Auflösung einzelner Prozessphänomene dafür ungeeignet. Daher wird seit vielen Jahren am Verständnis, der Abstraktion und der Simulation dieser Prozesse gearbeitet. Die dabei entstandenen theoretischen Modellierungen können allerdings nur selten einen Bezug zum realen Prozess nachweisen.Die vorliegende Arbeit schließt deshalb die Lücke zwischen Simulation und experimenteller Prozessentwicklung. Auf Basis einer vielfach verwendeten mathematischen Beschreibung der thermodynamischen Verhältnisse im Prozess, einer Energiebilanzgleichung, die erstmals in diesem Zusammenhang um die Möglichkeit zur Berechnung von Strahlungsrandbedingungen erweitert wird, beschreibt die Arbeit die Entwicklung eines Prozesssimulationssystems. Das dazu neu entwickelte Finite- Elemente-Methode Programm ProSimFRT, das auf der nicht-linearen Diskretisierung der Energiebilanzgleichung basiert, bildet der Kern eines modularen Prozesssimulationspaketes, welches die ganzheitliche parametrische Berechnung der Temperatur während des gesamten Prozesses und für alle Prozessteilnehmer erlaubt. Thermodynamische Teilaspekte der Verfahren und somit auf rein theoretischem Weg unzugängliche Prozessparameter, wie z.B. konvektive Randbedingungen oder durch eine Wasserstoff-Sauerstoffflamme erzeugte Wärmeströme können mit ProSimFRT semiempirisch ermittelt werden. Die hierfür angewandte Methodik der Simulationskalibrierung bedarf jedoch einer experimentellen Verifikationsmöglichkeit. Daher wird eine neu entwickelte Experimentalplattform vorgestellt. Ein spezieller Thermodynamikprüfstand erlaubt die Ermittlung der Prozessparameter und eine flexible Möglichkeit zum Nachweis der Funktionsfähigkeit der Simulation. Die Integration dieser Parameter zu einem ganzheitlichen Prozessmodell am Beispiel des Thermoplasttapelegens mit kohlenstofffaserverstärktem Polyetheretherketon und die ableitbaren Hinweise für die Prozessentwicklung bilden abschließend die Grundlage für die zukünftige Integration der Simulation in die Gesamtprozesskette. The aerospace industry and the off-shore oil industry are facing the introduction and evolution of fiber reinforced thermoplastics. Performance enhancements as well as cost and weight savings are the drivers behind this development. The high level of requirements concerning the quality of components leads to a need for applicable manufacturing technologies. Filament winding and tape placement are examples for such processes. Both have been successfully industrialized for thermoset materials. Thermoset components for high temperature or primary structure applications are typically manufactured in a multi-step approach. After a geometry determining step consolidation and curing are introduced as further processing steps towards the final component, often using ovens or autoclaves. Being weldable, thermoplastics give the possibility to integrate this multi-step thermoset processes. Hence the complexity of thermoplastic processing is increased, but the potential of saving manufacturing time is obvious. This leads to the need of theoretic background know how about the physical, thermodynamical and chemical phenomena behind the thermoplastic manufacturing technologies. Due to that, since many years worldwide efforts are carried out concerning the understanding, abstraction and simulation of this processes. But, the developed models hardly have a direct relation to real processes. The present work overcomes the gap between simulation and experimental process development. Based on a widely used mathematical description of the thermodynamics within the processes, an energy balance equation, which is enhanced with radiative boundary conditions for the first time in this context, the present work describes the development of a process simulation tool. The newly developed finite-element program ProSimFRT, which is based on a non-linear discretization of the energy balance equation, serves as kernel of a modular process simulation environment. This package allows the parametric calculation of the temperature fields throughout the whole process and for all process participants. Thermodynamic aspects, hardly available by analytical theory as convective boundary conditions or heat fluxes generated by oxygen-hydrogen flames can be determined semi-empirically with ProSimFRT. The method used for that needs a possibility for experimental investigations. Hence, a thermodynamic test rig is introduced.This test rig allows the determination of process parameters and delivers a flexible possibility for the validation and verification of the simulation. The integration of this parameters into an overall process model for the thermoplastic tape placement process using carbon fiber reinforced polyetheretherketone and derivable hints for the process development conclude the present work. They are a baseline for the future integration of the simulation into the manufacturing process.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Chemorheologie von Duromeren mit hybrider und interpenetrierender Struktur. Als Duromere werden fünf verschiedene Harze untersucht: ein Vinylester-Harz (VE-Harz), ein Vinylester-Urethan-Hybridharz (VEUH-Harz), ein schlagzähmodifiziertes VEUH-Harz (VEUH/ETBN-Harz), ein Vinylester- Epoxid-Harz (VE/EP-Harz) und das reine aminhärtende Epoxid (EP-Harz), das kommerziell als Reinstoff nicht eingesetzt wird, sondern als Verdünnungsmittel dient. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Chemorheologie der genannten Harze zu messen und zu modellieren. Einige der untersuchten Harze sind bekannt, aber ihre Kombination, besonders in der Form des VE/EP-Harzes sind völlig neu, so dass die Harze im Rahmen dieser Arbeit zunächst untersucht und charakterisiert werden. Im experimentellen Teil der Arbeit werden zur in situ Messung der Vernetzung die Thermogravimetrie, die Differenz- Kalorimetrie, die Infrarot-Spektroskopie, die Rheometrie und die Dielektrometrie angewendet. Es wird nachgewiesen, dass das VE-Harz radikalisch polymerisiert, das VEUH-Harz und auch das schlagzähmodifizierte VEUH/ETBN-Harz in einer Kombination aus Polyaddition und radikalischer Polymerisation vernetzen, das VE/EP-Harz in einer Polyaddition mit überlagerten geringen Anteilen der radikalischen Polymerisation und das EP-Harz in einer Polyaddition mit einer autokatalytischen Komponente zu Beginn der Reaktion vernetzt. Anschließend werden die Netzwerke mit Hilfe von Wasseraufnahme, Dynamisch-Mechanischer Thermoanalyse (DMTA) und Dichtebestimmungen charakterisiert. Die Wasseraufnahme gibt einen ersten Hinweis auf die Netzwerkstruktur und zeigt, dass das VE-, das VEUH- und das VEUH/ETBN-Harz sehr ähnliche Netzwerke zu haben scheinen. Aus den Ergebnissen kann man weiterhin schließen, dass das VE/EP-Harz ein deutlich weitmaschigeres Netzwerk im Vergleich zu den anderen untersuchten Harzen hat. Da das EP-Harz während des Versuchs hydrolytisch degradiert, kann keine Aussage über das Netzwerk getroffen werden. Aus den DMTAMessungen erkennt man, dass die Glasübergangstemperatur des VE/EP-Harzes wie erwartet zwischen denen der beiden reinen Komponenten liegt. Der Peak des Verlusttangens ist deutlich breiter als die Peaks der anderen Harze. Die Dichtemessungen zeigen, dass die Dichte sowohl des flüssigen als auch des festen VE/EP-Harzes am geringsten ist, die prozentuale Dichtezunahme vom flüssigen zum festen Harz jedoch am größten ist. Da die Schrumpfmessung von Harzen während der Vernetzung eine für die Praxis sehr interessante Größe darstellt, jedoch kein kommerzielles Messgerät zur Verfügung steht, wird diese Messgröße gesondert behandelt und mit einem in dieser Arbeit entwickelten Gerät bestimmt. Es wird erfolgreich die Änderung des chemischen Schrumpfes der Harzproben wie auch ihre thermische Volumenausdehnung gemessen. Abschließend wird ein mathematisches Modell aufgestellt, das die Chemorheologie des VE-, EP-, und VE/EP-Harzes erfolgreich vorhersagt. Die Entwicklung der Modellgleichungen beruht auf einer einheitlichen, systematischen Strategie und setzt ausschließlich bekannte Komponenten ein. Der systematische Einsatz der einzelnen Komponenten ist neu. Insgesamt ist das Modell in der Lage, die Viskositätsänderung der Harze, die sie während ihrer Härtung erfahren, sowohl unter isothermen als auch dynamischen Temperaturbedingungen zu berechenen. The thesis at hand deals with chemorheology of duromeric materials having hybrid and interpenetrating structures. Five different resins are investigated: a vinylester resin (VEresin), a vinylester-urethane resin (VEUH-resin), a toughness modified VEUH-resin (VEUH/ETBN-resin), a vinylester-epoxy resin (VE/EP-resin) and the pure amin-curing epoxy (EP-resin). Commercially, the latter is not used on its own but only as solvent. The aim of this work is to measure the crosslinking behaviour of these resins experimentally and to simulate it mathematically. Some of the resins named above are known but their combination, especially in the form of VE/EP-resin, is completely new. Therefore the resins have to be characterised first. Thermogravimetry, differential calorimetry, infrared spectroscopy, rheometry and dielectrometry are used in the experimental part for in situ measurements of the crosslinking. It is seen that the VE-resin crosslinks by radical polymerisation, the VEUH-resin and the toughness modified VEUH/ETBN-resin by a combination of polyaddition and radical polymerisation, the VE/EP-resin by polyaddition with small overlapping effects caused by radical polymerisation whereas the EP-resin crosslinks by polyaddition with autocatalytic components in the beginning of the reaction. Thereafter the crosslinked resins are characterised with the help of water penetration, dynamic mechanical thermoanalysis (DMTA) and density measurements. Water penetration gives first information about the network structure; the VE-, the VEUH- and the VEUH/ETBN-resin seem to have very similar networks. Moreover, it can be concluded from these experiments that the network of the VE/EP-resin is wider compared to the other resins. Since the EPresin degradates hydrolytically during the experiment its network cannot be analysed by this method. The DMTA-experiments show that the glass transition temperature of the VE/EP-resin is inbetween the glass transition temperatures of its pure components. The peak of the loss modulus tanδ is clearly wider compared to the other resins. Density measurements show, that the density of the liquid as well as of the solid VE/EP-resin is the lowest, whereas the percentage of the density increase during solidification is highest. Since shrinkage measurements during crosslinking are very interesting from the industrial point of view and there is no commercially available instrument at hand, an instrument is developed within this thesis and shrinkage measurements are discussed separately. The chemical shrinkage of the resins is successfully measured with this new method. Also their thermal volume expansion is measured. Finally, a mathematical modell is presented that simulates the chemorheology of the VE-, EP-, and VE/EP-resin. The modell for the chemorheology is based on a unified and systematical approach and uses well known components only. The combination of the components is new. The modell is able to predict the resins’ viscosity during isothermal and dynamic experiments at the same time. The target of modelling the viscosity of a resin independent from the time-temperature-profile is still discussed in the open literature and the results of this thesis provide a contribution to this discussion. Furthermore the mathematical approach of the chemorheological modell is simple and only a small number of isothermal experiments is needed to determine the modell’s parameters. Thus its handling is easy, even in a commercial environment.